基于倒裝焊接的電子封裝器件熱性能的研究.pdf

1、尺寸小型化與功率高密度化是當(dāng)今電子封裝器件兩大主要發(fā)展趨勢(shì)。高熱流密度芯片發(fā)展要求封裝器件具有更好的熱耗散能力和更高的熱可靠性；電子產(chǎn)品的小型化趨勢(shì)及便攜性要求則是空冷技術(shù)發(fā)展的助推劑。如何在承受高熱流密度的同時(shí)保證電子封裝器件的熱性能是當(dāng)今熱工工程師所面臨的重要課題。 本研究以加速芯片耗散熱的輸出、降低工作溫度、減少熱失配與熱應(yīng)力、提高封裝器件的熱可靠性能和使用壽命為目標(biāo)，對(duì)空氣沖擊射流換熱特性、焊料的熱機(jī)械性能進(jìn)行基礎(chǔ)性的實(shí)

2、驗(yàn)研究；在此基礎(chǔ)上，建立非線性熱應(yīng)力耦合數(shù)學(xué)模型，并以FC-CBGA封裝器件為研究對(duì)象，以ANSYS為計(jì)算平臺(tái)，對(duì)服役狀態(tài)下器件溫度和應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并對(duì)封裝器件熱可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)。主要工作如下： 基于數(shù)值模擬輔助實(shí)驗(yàn)研究理念，針對(duì)換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與熱機(jī)械性能測(cè)試系統(tǒng)，建立了相應(yīng)數(shù)值模型。通過模擬動(dòng)態(tài)測(cè)試過程，從數(shù)值角度定性與定量分析實(shí)驗(yàn)誤差及其產(chǎn)生原因，并通過數(shù)值模擬輔助分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究表明，在合理選擇數(shù)學(xué)模型和計(jì)

3、算方法的前提下，實(shí)驗(yàn)數(shù)值結(jié)合法對(duì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方法與系統(tǒng)的缺陷，評(píng)價(jià)測(cè)試準(zhǔn)確性，及定性及定量分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和解釋現(xiàn)象具有裨益。該理念將貫穿于整個(gè)研究工作中。 對(duì)毫米級(jí)孔徑受限空氣沖擊射流換熱特性進(jìn)行了較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究與理論分析。結(jié)果表明受限沖擊射流換熱性能與其流態(tài)與速度分布及空間受限程度密切相關(guān)，單孔直(無旋轉(zhuǎn))沖擊射流在駐點(diǎn)區(qū)具有很強(qiáng)的局部換熱特性；在相同Re下，單孔旋轉(zhuǎn)沖擊射流Nu存在明顯的峰值外遷現(xiàn)象，因此提高旋轉(zhuǎn)度可有效改善射流

4、換熱的均勻性；在相同流量下，由于射流之間的相互干涉和碰撞使駐點(diǎn)間的換熱系數(shù)不再呈單調(diào)變化，多孔沖擊射流換熱較單孔更為均勻。 為順應(yīng)焊料無鉛化的趨勢(shì)，對(duì)新型無鉛焊料96.5Sn3.5Ag的熱機(jī)械行為進(jìn)行了探討。研究表明，采用Anand粘塑性模型可對(duì)焊料96.5Sn3.5Ag熱機(jī)械行為進(jìn)行正確描述。并在焊料疲勞特性實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合位錯(cuò)理論、斷裂理論、蠕變損傷理論等對(duì)焊料疲勞行為進(jìn)行理論分析，分析表明，軟焊料疲勞失效機(jī)理與溫度密切

5、相關(guān)，蠕變損傷與疲勞損傷共同作用導(dǎo)致軟焊料疲勞失效。本研究將為新型焊料熱機(jī)械行為與失效機(jī)理研究提供有益思路。 外部換熱模式與器件內(nèi)部參量的分布密切相關(guān)，故服役狀態(tài)與均溫狀態(tài)熱機(jī)械行為存在偏差，因此以服役狀態(tài)為基準(zhǔn)對(duì)器件的熱機(jī)械行為與熱可靠性能進(jìn)行探討更接近工程實(shí)際，其預(yù)測(cè)結(jié)果也更趨安全性。在服役狀態(tài)下器件的熱可靠性能研究涉及多場(chǎng)耦合研究；此外在室溫條件下焊料已表現(xiàn)出蠕變等非彈性力學(xué)特性，故器件的熱可靠性能研究還涉及非線性問題。本

6、文在探討了非定常溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)耦合熱彈塑性問題進(jìn)行了簡化與解耦，提出采用單向順序耦合方法來求解固體材料內(nèi)部非定常熱應(yīng)力場(chǎng)。并基于增量理論，對(duì)非線性熱應(yīng)力耦合問題及相應(yīng)的有限元求解方法進(jìn)行了探討。 基于非線性理論與有限單元法，在對(duì)服役狀態(tài)倒裝焊球陣列封裝器件溫度分布與應(yīng)力分布進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，對(duì)處于多軸應(yīng)力條件下焊點(diǎn)高溫低周疲勞壽命預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了探討。在研究中，采用粘塑性模型對(duì)焊料熱機(jī)械行為進(jìn)行描述