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《华南理工大学》 2017年
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三维PoP封装的振动可靠性研究及疲劳寿命分析

夏江  
【摘要】:便携式和航天军工电子产品快速的发展趋势和复杂的应用环境,使得电子产品的振动可靠性越来越受到业界的关注。作为应用最为广泛的三维封装技术之一,PoP(Package on Package)封装在广泛使用的同时也带来了大量可靠性问题。特别是随着PoP在便携式电子设备上的大量应用,其所受到的振动载荷呈逐渐增加趋势,振动可靠性问题也逐渐增多,现有的PoP振动可靠性研究不足以支撑其面临的日益复杂多变的应用环境。因此,深入研究振动条件下PoP的可靠性机理和PoP振动可靠性优化设计对PoP的广泛应用具有重要意义。本文以三维PoP封装为研究对象,开展了一系列不同条件下的振动疲劳试验,结合有限元仿真和材料微观界面分析,首次从PoP焊点振动载荷下的疲劳失效特性分析、疲劳寿命预测、疲劳可靠性的结构和工艺优化方面逐步深入地研究了PoP封装的振动可靠性,主要研究内容和成果如下:论文选择了典型的PoP封装结构,进行了PCB测试板的布线设计,并基于设计的夹具进行了模态试验和振动试验平台的搭建;通过网格划分理论,建立了测试PoP组件的三维有限元模型,并通过模态试验和有限元模态分析验证了有限元模型的正确性,为正确评价PoP封装振动可靠性奠定了基础。采用四点固支方式进行了正弦振动疲劳试验,结合失效分析及有限元数值仿真结果表明,底部封装的可靠性要明显弱于顶部封装,确认底部焊球中靠近PCB中心侧最外排拐角处的焊点为影响可靠性的关键焊点,焊点失效的重要机理之一为底部焊球承载的惯性质量大于顶部焊球,致使振动过程中底部焊球承受了较大的交变拉压应力作用,进而导致了底部焊球的最先失效,而PoP封装的堆叠过程中的多次回流引起的底部焊球IMC层的变厚及PoP特殊堆叠结构必然导致的初始封装翘曲则加速了振动载荷下底部焊球的失效,三者均对PoP封装失效产生了直接影响;失效焊点的裂纹萌生于焊球靠近封装一侧的颈部部位,并在振动作用下沿着焊球基体内及IMC层与焊球基体界面处扩展直至焊球完全断裂失效,断裂裂纹具有混合型的裂纹扩展路径,表明失效模式为既包含脆性断裂也包含韧性断裂的混合型断裂模式。利用有限元仿真分析,结合振动疲劳试验结果和二参数威布尔分布首次建立了PoP焊点的疲劳S-N特性曲线,并通过对比不同封装结构焊点的S-N曲线验证了本文曲线的可信度和正确性。除了PoP振动载荷不同于其他封装外,研究发现PoP焊点S-N曲线不同于其他封装的原因是PoP在组装过程中不可避免地会产生初始封装翘曲,而初始封装翘曲会引起了焊接残余应力,导致PoP封装的抗振性要弱于传统二维封装。基于随机振动疲劳试验和有限元仿真分析,在窄带随机振动疲劳寿命模型的基础上,依据微电子封装的特点引入修正系数λ进行修正,建立了适应于PoP焊点的更为精确的随机振动疲劳寿命预测模型,并与随机振动疲劳试验结果进行了对比分析,验证了模型的正确性;同时,基于两种算例,通过与三区间法及其他几种频域内寿命预测模型进行了对比分析,进一步验证了所建预测模型的精确度和适应性。从振动可靠性的结构优化设计角度出发,通过有限元数值模拟和田口试验法进行了PoP封装振动可靠性的结构优化设计。结果表明底部焊球高度对PoP封装振动可靠性影响最大,底部基板厚度和顶部焊球高度次之,封装尺寸对于振动可靠性影响最小。在指定的控制因子水平范围内底部焊球越高,振动可靠性越好,说明提高底部焊球高度是改善PoP封装振动可靠性的一种有效途径;结构优化设计后,体积平均等效应力?σ相比于初始默认设计降低了36.6%,表明结构优化设计对于PoP振动可靠性的提升有重要的作用。基于底部焊球为振动载荷下薄弱环节的事实,对不同底部填充工艺下PoP封装体振动可靠性进行了有限元仿真分析。结果表明不同填充模式下关键焊点的位置不同,且三种底部填充都能够有效地改善PoP的振动可靠性。对比不同底部填充方式的工艺成本和填充改善效果,从性价比角度出发可以确认边缘绑定是最佳填充加固方式。分析结果还表明底部填充将会对PoP振动载荷下底部和顶部封装失效的先后顺序产生影响,在完全填充条件下,顶部封装将可能先于底部封装失效,研究结果将对PoP封装的可靠性设计提供重要的参考。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN405

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