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封装堆叠(PoP)可靠性的研究

颜学优  
【摘要】: 封装堆叠PoP作为一种新型的封装形式,其具有很强的灵活性和扩展性,缩短了产品的上市时间,允许装配前各模块单独测试,保证了更高的良品率,在手机、数码相机等便携式数字电子产品中应用非常广泛。虽说PoP有着许多优点,但其可靠性问题值得深入研究。目前,PoP的可靠性分析主要集中在翘曲分析和跌落测试,但在热循环和湿热环境下的可靠性研究比较少。本文主要利用有限元分析方法探讨了PoP在热循环和湿热环境下的可靠性问题。 本文采用三维云纹干涉系统测量了PoP模块塑封料的热膨胀系数(10.9ppm/℃),为有限元模拟计算提供了数据支持。随后采用ABAQUS软件建立三维有限元模型,考察了PoP焊点在热循环中的可靠性。在热循环载荷下,顶部和底部模块对称中心最远端焊点的应力最大,单个焊点呈两端大中间小的分布趋势。最大累积等效蠕变应变位于内层焊点,且在芯片边缘。顶部和底部模块焊点的疲劳寿命分别为776Cycles和847Cycles。针对顶部模块进行了优化设计,在一定条件下,增加芯片厚度和塑封料热膨胀系数、减小基板厚度有利于提高热可靠性。AlN、SiC、BeO、Al2O3四种基板材料中,热膨胀系数最大的BeO基板具有最大的热疲劳寿命(747Cycles)。 本文接着模拟了PoP模块在30℃/60%RH,192hr条件下的吸潮和在回流焊过程中的解潮。吸湿后,顶部模块中的基板、大部分塑封料以及下层芯片粘接剂已达饱和湿度,底部模块的塑封料、芯片粘接剂和基板均达到饱和湿度。塑封料、基板和芯片粘接剂之间存在一定的湿度梯度。在回流焊解潮中,顶部和底部模块的最大蒸汽压力均出现在芯片粘接剂处,其大小值为5.8Mpa。这有可能在芯片粘接剂/基板界面出现分层。 本文最后对PoP模块进行了回流焊载荷下的可靠性分析。在回流焊载荷下,顶部和底部模块的最大应力出现在底层芯片的四个边角,其大小值分别为59.35Mpa和15.6Mpa。在峰值温度时,顶部和底部模块的形变分别为10μm和-58μm,两者的翘曲模式不同,翘曲差值为68μm。采用正交试验设计和有限元模拟相结合的方法对底部模块进行了优化设计,在指定的因子水平范围,较大的塑封料热膨胀系数和基板厚度,较小的芯片大小和厚度可以减少底部模块的翘曲。


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