摘 要： 利用ANSYS軟件針對一種三維多芯片柔性封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，通過有限元2D模型模擬該封裝結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)溫度-40～125 ℃條件下產(chǎn)生的熱應(yīng)力/應(yīng)變情況，討論了芯片厚度、基板厚度、微凸點高度及模塑封材料對熱應(yīng)力/應(yīng)變的影響。結(jié)果表明，三維多芯片柔性封裝體的等效熱應(yīng)力發(fā)生在微凸點與芯片的連接處，其數(shù)值隨著芯片厚度的減薄呈遞減趨勢；基板厚度也對熱應(yīng)變有一定的影響；增加微凸點高度有利于減小等效熱應(yīng)力；通過比較塑封材料得知，采用熱膨脹系數(shù)較大，且楊氏模量與溫度的依賴關(guān)系較強的模塑封材料進(jìn)行塑封會產(chǎn)生較大應(yīng)變。

關(guān)鍵詞： ANSYS； 多芯片結(jié)構(gòu)； 柔性封裝； 熱應(yīng)力

中圖分類號： TN305.94?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0141?03

Analysis of thermal stress for 3?D multichip flexible encapsulation

SU Mei?ying1， 2， LU Yuan1， 2， WAN Li?xi1， HOU Feng?ze1， 2， ZHANG Xia1， 2， GUO Xue?ping1， 2

（1. Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029， China； 2. National Center for Advanced Packaging， Wuxi 214135， China）

Abstract： The model of 3D multichip flexible encapsulation structure were created by means of simulation software ANSYS. The finite element 2D model is used to simulate the encapsulation structure thermal stress and strain produced under the condition of thermal cycling temperature -40～125 ℃. The influence of chip thickness， substrate thickness， bump height and molding materials on thermal stress and strain is discussed. The results show that Von Mises stress of the flexible encapsulation body occurs mainly at the junction of bumps and chips， and assumes decline trend with thinning of the chip thickness. To increase the height of bumps can decrease the Von Mises stress for the flexible package structure. Besides， the substrate thickness has some effect on the thermal strain. The molding material with big coefficient of thermal expansion， and strong dependent relationship of Young modulus and temperature can produce more thermal strain.

Keywords： ANSYS； multichip structure； flexible encapsulation； thermal stress

0 引 言

在電子封裝領(lǐng)域中，隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，器件的熱應(yīng)力應(yīng)變可靠性研究依然是業(yè)界關(guān)注的一個主要問題[1?4]。本文所描述的柔性封裝是一種新型的先進(jìn)封裝技術(shù)，其具有小型化、輕量化、高密度、可彎折等優(yōu)點[5]。目前針對這種封裝形式的熱機械可靠性報道比較少，本文選定了一種多芯片疊層柔性封裝結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件[6]平臺對該封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度循環(huán)條件下的熱應(yīng)力/應(yīng)變分析，析了芯片厚度、基板厚度、微凸點高度及模塑封材料對熱應(yīng)力/應(yīng)變的影響，從而對三維多芯片柔性封裝的設(shè)計開發(fā)起到了指導(dǎo)性作用。

1 有限元仿真

1.1 有限元模型

本文采用了兩款芯片進(jìn)行了五芯片的三層堆疊封裝結(jié)構(gòu)。兩款芯片具有不同的幾何尺寸，其中一款裸芯片為2.54 mm×2.54 mm，取4顆U1～U4；另一款為5.95 mm×4.35 mm，取1顆U5，如圖1所示。從圖中可知，該模型由有機基板、芯片、凸點、粘合劑、灌封膠、焊料和模塑封材料組成，其中有機基板的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

由于該封裝結(jié)構(gòu)涉及的微凸點較多，采用三維實體單元建模不僅會占用大量的計算機內(nèi)存，而且計算分析的時間比較長，不利于問題的分析。采用二維有限元模型具有建模簡單、計算時間短、占用計算機內(nèi)存少、非常有利于參數(shù)化建模等優(yōu)點[7]。本文在保證一定精度的前提下將問題簡化為平面應(yīng)變和平面應(yīng)力問題，采用二維有限元模型對所述封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。同時為了提高分析效率，采用ANSYS的參數(shù)化編程語言（APDL）格式進(jìn)行建模仿真模擬分析。

1.2 材料參數(shù)

電子器件的可靠性問題主要是由于硅芯片與封裝體中使用的其他材料的熱膨脹系數(shù)不匹配造成的[8?10]。 本文采用的封裝材料有柔性基板（包括Cu、PI、綠油），灌封膠（FP4531）、芯片粘結(jié)劑、硅芯片、焊料（SAC305）和模塑封材料組成。其中塑封材料分別采用了H?FP4450HF、H?FP4323和Dow Corning 108三種型號進(jìn)行了仿真結(jié)果的對比。利用材料測試設(shè)備，測得了模塑封、灌封膠、芯片粘結(jié)劑、焊料及基板PI層隨溫度變化的楊氏模量，具體數(shù)值見表1。

1.3 施加載荷

本文主要研究柔性封裝的熱機械可靠性溫度循環(huán)仿真情況，施加的溫度載荷如圖4所示。

3 結(jié) 論

文中討論了芯片厚度、基板厚度、微凸點直徑和模塑封材料四個因素對五芯片三層柔性封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱機械可靠性仿真。經(jīng)過分析和研究，得到如下結(jié)論：

（1） 該封裝結(jié)構(gòu)的等效熱應(yīng)力主要發(fā)生在微凸點與芯片接觸的部位；

（2） 芯片厚度越薄，產(chǎn)生的應(yīng)力/應(yīng)變也越小，因此對所封裝的芯片進(jìn)行減薄有助于減小熱應(yīng)力的產(chǎn)生；

（3） 基板厚度越厚，中間層封裝的芯片和下層芯片的微凸點的應(yīng)變也隨之變大，而上層芯片的微凸點應(yīng)變反而減小；

（4） 隨著下層芯片微凸點高度的增加，下層芯片的微凸點的應(yīng)力有所減小，而對其他兩層芯片的應(yīng)力影響不大；

（5） 針對多芯片三維柔性封裝而言，采用熱膨脹系數(shù)較大及楊氏模量與溫度的依賴關(guān)系較強的模塑封材料進(jìn)行塑封會產(chǎn)生較大應(yīng)變。

參考文獻(xiàn)

[1] LAU J H. Thermal stress and strain in microelectronics packa?ging [M]. [S.l.]： Van Nostrand Reinhold， 1993.

[2] 范晉偉，郗艷梅，邢亞蘭.PBGA封裝熱應(yīng)力研究與熱特性分析[J].機械設(shè)計與制造，2009（3）：68?70.

[3] 崔海坡，鄧登，程恩清.同一PCB 板上不同封裝結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析[J].電子元件與材料，2013，32（2）：58?61.

[4] 袁琰紅.硅通孔三維封裝的熱應(yīng)力分析[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.

[5] 江平.柔性基板模塊封裝技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2011，51（11）：117?120.

[6] 張濤.ANSYS APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[7] 孟利敏，閔嘉華，梁小燕，等.DFN封裝器件熱一結(jié)構(gòu)模擬仿真分析[J].功能材料與器件學(xué)報，2012，18（1）：57?62.

[8] GUENIN Bruce. Thermal strain in semiconductor packages [EB/OL]. [2007?08?22]. http：//www. electronics?cooling.com.

[9] SHANG H X， GAO J X， NICHOLSON P I. Thermal stresses measurement of solder joints in BGA packages： theoretical and experimental [C]// 2008 ASME International Mechanical Engineering Conference and Exposition. Boston， Massachusetts， USA： ASME， 2008： 111?119.

[10] 牛利剛，楊道國，李莉.EMC材料參數(shù)對微電子封裝器件熱應(yīng)力的影響[J].功能材料與器件學(xué)報，2010，16（4）：384?388.