集成電路封裝實驗手冊

實驗一有限元分析軟件Ansys8.0的認知ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法，其主要的分析功能包括結構分析、非線性分析、熱分析、電磁場分析、電場分析、流體分析、耦合場分析。結構分析用于計算那些載荷作用于結構或部件上所引起的位移、應力、應變和力。熱分析用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、溫度梯度、熱流密度等。通過本實驗，讓學習學會如何運用Ansys軟件進行MCM組件技術的熱-結構分析。二、 實驗內(nèi)容有限元分析過程分建模、計算和后處理三個階段。建模是對實物形狀和工況條件抽象為有限元分析的計算模型；計算是由分析程序控制并在計算機上完成的對模型的計算；后處理則是對計算結果進行的各種處理和研究。實驗的具體內(nèi)容主要包括：建立有限元模型、施加載荷、求解與后處理。三、 實驗報告要求：1、 按照實驗報告冊中要求具體填寫；2、 實驗預習報告部分的實驗注意事項填寫該實驗的一些特殊要求和特殊規(guī)定等之類；3、 “實驗過程及數(shù)據(jù)記錄”一項中詳細填寫使用Ansys建模的具體流程可以以流程或1、2、3、4的順序記錄；4、 實驗結果分析簡要說明Ansys軟件的應用流程；5、 實驗總結中主要填寫通過該實驗所學到的方法和體會。實驗二倒裝焊焊點熱-結構數(shù)值模擬焊點的熱疲勞失效（可靠性）是電子封裝領域的關鍵問題之一。電子器件在封裝及服役條件下，由于功率耗散和環(huán)境溫度的變化，因材料的熱膨脹失配在SnPb焊點內(nèi)產(chǎn)生交變的應力和應變，導致焊點的熱疲勞失效。由于BGA封裝中的焊點的幾何尺寸很小，用一般的實驗方法難以對熱循環(huán)過程中焊點的應力、應變進行實時檢測。理論方法（如有限元分析方法）可以對復雜加載條件下焊點中的應力、應變分布及其歷史進行詳盡的描述，是評價焊點可靠性的重要途徑。二、 實驗內(nèi)容及要求：了解倒裝焊的基本結構，并通過軟件仿真對其熱-結構進行數(shù)值模擬。運用ANSYS有限元軟件對球柵陣列（BGA）封裝中復合SnPb焊點的應力、應變的分布進行有限元模擬,觀察SnPb焊料的蠕變行為和應力松弛現(xiàn)象。三、 建模要求和相關材料特性參數(shù)：二維建模；模型結構分3層：最上層板為硅芯片，中間層為PbSn焊點，焊點下為焊盤,最下層為基板層。其幾何尺寸示例如下:芯片尺寸為9mmX0.8mm，焊點尺寸為直徑0.89mm,基板尺寸為10mmX0.5mm,實際建模時各部分尺寸大小應與示例芯片尺寸大小數(shù)量級一致;焊點數(shù)為4?10左右；芯片正常工作溫度50-100攝氏度之間均可，環(huán)境溫度為20攝氏度。材料參數(shù)：表1材料特性參數(shù)材料彈性模量E（GPa）泊松比V熱膨脹系數(shù)CTE（ppm/°C）導熱(w/m.C)基板2.2X10E+100.281.8X10E-517焊點3X10E+100.352.1X10E-550芯片1.31X10E+110.302.8X10E-6150四、實驗報告要求：1、 按照實驗報告冊中要求具體填寫；2、 實驗預習報告部分的實驗注意事項填寫該實驗的一些特殊要求和特殊規(guī)定等之類3、實驗中所用數(shù)據(jù)以列表形式填寫在“實驗過程及數(shù)據(jù)記錄”一項中；4、實驗的建模及分析過程以流程或1、2、3、4的順序記錄；5、實驗結果分析應根據(jù)實驗內(nèi)容分析焊點的熱-結構特性對封裝整體的影響6、實驗總結中主要填寫通過該實驗所學到的方法和體會。五、相關的實驗過程（數(shù)據(jù)）示例：1、圖11、圖1（a）和圖1（b）分別是運用ANSYS建模后的圖形及網(wǎng)格劃分后的圖形。圖1（a） 圖1（b）ANJUM7200720:20:51l：ANJUM7200720:20:51l：AVG)MX2、圖三是運用ANSYS進行熱模擬以后的溫度場分布圖，注意觀察焊點由上之下的溫度變化。IJODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TEMPRSYS=0SMN=20SMX=80圖2實驗三器件級封裝結構建模隨著半導體工業(yè)的飛速發(fā)展，如今人們生活中不可或缺電腦、網(wǎng)絡通訊及移動終端產(chǎn)品、數(shù)碼相機、PDA以及液晶顯示器等，無一不是半導體工業(yè)的相關產(chǎn)物，其周邊的產(chǎn)品更是繁多。目前，微電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸演變成為設計、制造和封裝三個相對獨立的產(chǎn)業(yè)。其中封裝產(chǎn)業(yè)則主要由設計和制造產(chǎn)業(yè)來驅(qū)動。與前兩者相比，電子封裝范圍廣，帶動的基礎產(chǎn)業(yè)更多。電子封裝已經(jīng)成為整個微電子產(chǎn)業(yè)的瓶頸，從某種意義上講，電子信息產(chǎn)業(yè)的競爭主要體現(xiàn)在電子封裝上。二、實驗內(nèi)容：建立幾種主要的封裝結構的模型，進一步加深對各封裝結構的認識和了解。當前，BGA（BallGridArray，球柵陣列封裝）以其性能和價格優(yōu)勢已經(jīng)成為封裝技術的主流°BGA主要有四種基本類型：塑料球柵陣列封裝（PBGA）、陶瓷球柵平面陣列封裝（CBGA）、陶瓷柱柵平面陣列封裝（CCGA）和載帶球柵平面陣列封裝（TBGA）。為了滿足多引腳、高散熱能力、高頻、低損耗、小型、薄形等各種特殊需要，每種BGA都派生出許多新的形式。本實驗根據(jù)BGA封裝的相同特征建立簡化模型對其進行分析°CSP（ChipSizePackage，或ChipScalePackage），即芯片尺寸封裝，是目前最先進的集成電路封裝形式之一。根據(jù)實驗的實際情況同學也可對該種類型的封裝進行建模分析。三、建模要求和相關材料特性參數(shù)：封裝為15x15三芯片疊層全陣列球柵陣列封裝。參封裝模型的基本尺寸設為：PCB板：101.5mmX101.5mmX1.66mm；PCB板表面掩膜層厚度：0.035mm；PCB板中的銅布線層（頂層為信號層，中間兩層分別為電源層和接地層）厚度：0.07mm；封裝基板核心層：13mmX13mmX0.15mm；封裝基板表面掩膜層厚度：0.03mm；封裝上下兩層銅布線層，厚度為0.027mm；焊點高度0.28mm，直徑0.41mm；焊點間節(jié)距0.8mm；底層芯片：10.5mmX10.5mmX0.14mm；中間層芯片：6.4mmX6.4mmX3.8mm；頂層芯片：3.8mmX3.8mmX0.14mm；塑封層總高度0.7mm。假設在實際工作時，三層芯片上分別均勻加載功率1.0W、1.0W、0.5W（1/8有限元模型中，實際加載為0.125W、0.125W、0.0625W）。以上數(shù)據(jù)均為參考數(shù)據(jù)，實際建模數(shù)據(jù)各位同學可以結合實際進行調(diào)整，實驗報告中的數(shù)據(jù)以實際建模數(shù)據(jù)為準。各材料相關參數(shù)材閥.比熱WD密度如小導熱系數(shù)（庠5?心焊點63Sn37Pb150K47051.DD芯片何）72923^()1弘基板檢心層〔BT）HHD1700().33基板掩模層92014()0().2()塑封層S001900().7()導電粘接層7003500[.50非導電粘接層75013()()().3()PCB板檢心層｛FR4）75019()()().2PCB板掩模層S501700().33四、實驗報告要求：1、按照實驗報告冊中要求具體填寫；2、實驗預習報告部分的實驗注意事項填寫該實驗的一些特殊要求和特殊規(guī)定等之類3、實驗中所用數(shù)據(jù)以列表形式填寫在“實驗過程及數(shù)據(jù)記錄”一項中；4、實驗的建模及分析過程以流程或1、2、3、4的順序記錄；5、實驗結果分析應根據(jù)實驗內(nèi)容分析焊點的熱-結構特性對封裝整體的影響；6、實驗總結中主要填寫通過該實驗所學到的方法和體會。五、相關的實驗過程（數(shù)據(jù)）示例：1、有限元模型的建立：呂STArmDIECSF/EiBA曲上口M實驗四器件級封裝熱-結構分析隨著半導體工業(yè)的飛速發(fā)展，如今人們生活中不可或缺電腦、網(wǎng)絡通訊及移動終端產(chǎn)品、數(shù)碼相機、PDA以及液晶顯示器等，無一不是半導體工業(yè)的相關產(chǎn)物，其周邊的產(chǎn)品更是繁多。目前，微電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸演變成為設計、制造和封裝三個相對獨立的產(chǎn)業(yè)。其中封裝產(chǎn)業(yè)則主要由設計和制造產(chǎn)業(yè)來驅(qū)動。與前兩者相比，電子封裝范圍廣，帶動的基礎產(chǎn)業(yè)更多。電子封裝已經(jīng)成為整個微電子產(chǎn)業(yè)的瓶頸，從某種意義上講，電子信息產(chǎn)業(yè)的競爭主要體現(xiàn)在電子封裝上。通過本次實驗使同學初步掌握各類型封裝結構建模的基本方法，并就其模型進行初步熱分析。二、實驗內(nèi)容：根據(jù)上次實驗所建立的模型結構，對其進行合適的網(wǎng)格劃分及加載求解分析，并根據(jù)模擬的結果分析討論封裝結構對器件熱可靠性的影響。三、 建模要求和相關材料特性參數(shù)：假設在實際工作時，三層芯片上分別均勻加載功率1.0W、1.0W、0.5W（1/8有限元模型中，實際加載為0.125W、0.125W、0.0625W）。以上數(shù)據(jù)均為參考數(shù)據(jù)，實際建模數(shù)據(jù)各位同學可以結合實際進行調(diào)整，實驗報告中的數(shù)據(jù)以實際建模數(shù)據(jù)為準。四、 實驗報告要求：1、 按照實驗報告冊中要求具體填寫；2、 實驗預習報告部分的實驗注意事項填寫該實驗的一些特殊要求和特殊規(guī)定等之類；3、 實驗中所用數(shù)據(jù)以列表形式填寫在“實驗過程及數(shù)據(jù)記錄”一項中；4、 實驗的建模及分析過程以流程或1、2、3、4的順序記錄；5、 實驗結果分析應根據(jù)實驗內(nèi)容分析焊點的熱-結構特性對封裝整體的影響；6、 實驗總結中主要填寫通過該實驗所學到的方法和體會。實驗五熱-應力可靠性分析隨著集成電路的高速發(fā)展，集成電路封裝具有密度高、信號處理速度快、寄生電容/電感小等優(yōu)點。集成度的提高和功率密度的增大，導致芯片的發(fā)熱功率也隨之增加，散熱以及由于元器件和PCB中溫度分布不均勻（存在溫度梯度）以及各種材料的熱膨脹系數(shù)CTE（CoefficientofThermalExpansion）不同，在熱膨脹（或收縮）時，受周圍相關單元體的限制和邊界條件的約束，就會產(chǎn)生熱應力，使其實際服役過程中，最終會不可避免的會出現(xiàn)界面分層現(xiàn)象。本實驗要求學生通過有限元模擬對此開展熱分析研究。二、實驗內(nèi)容：借用前幾次實驗所建立的模型結構，分別選用熱分析模擬的結構單元以及結構分析的單元，對其進行合適的網(wǎng)格劃分及加載求解分析，并根據(jù)模擬的結果分析討論封裝體受熱后對其內(nèi)部應力應變的影響。三、建模要求和相關材料特性參數(shù)：模型總共分為五層，由上至下分別為芯片層、粘結劑、陶瓷基板、焊球陣列以及PCB板所組成。其中焊球為7x7完全陣列，焊球直徑為0.9mm,中心距為1.27mm。焊球為截頂球體（即鼓形）；為了減小計算量，只建立四分之一模型，因此焊球呈7x7陣列分布。各層尺寸具體見表1所示。模擬計算所用材料的物理參數(shù)如表2所示。表1各層尺寸名稱尺寸心片4mmx4mmx0.7mm粘結劑4mmx4mmx0.1mm陶瓷基板9mmx9mmx1.0mm球柵陣列直徑0.9mm,高度0.8mm,中心距1.27mm， 7x7陣列分布PCB板15mmx15mmx1.2mm表2各部分材料的屬性材料熱傳導系數(shù)W/m?°C熱膨脹系數(shù)10-6/oC彈性模量GPa泊松比硅片25oC:15377oC:119127oC:992.81310.3環(huán)氧樹脂粘結劑0.188451.4050.18陶瓷基板186.926.50.23Sn63-Pb37焊料5025.125oC:22.3975oC:17.31125oC:17.310.43FR-4板171617.20.28四、實驗報告要求：1、按照實驗報告冊中要求具體填寫；2、實驗預習報告部分