CN115391971A - 环氧塑封封装结构的优化设计方法 - Google Patents

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鲁济豹
李宇龙
郑怡
孙蓉
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Abstract

本发明提供了一种环氧塑封封装结构的优化设计方法，其包括：S10、筛选对于环氧塑封封装结构的性能具有影响的物性参数因子；S20、依据选取的物性参数因子设计正交试验表；S30、建立有限元模型，并按照正交试验表进行仿真模拟试验；S40、对试验数据进行处理，建立回归模型；S50、对回归模型进行F检验分析，判断是否存在具有显著影响的物性参数因子；S60、对回归模型进行T检验分析，确定具有显著影响的物性参数因子；S70、依据分析结果对环氧塑封封装结构的优化设计进行指导。本发明运用试验设计与统计学分析相结合的方法，通过仿真模拟试验并进行数据分析处理，以使得环氧塑封封装结构的优化设计能够得到理论支撑并降低设计成本。

Description

环氧塑封封装结构的优化设计方法
技术领域
本发明属于封装结构技术领域，具体涉及一种环氧塑封封装结构的优化设计方法。
背景技术
随着电子信息技术的发展和社会的需要，电子产品不断向小型化、轻量化、高性能、多功能、低成本方向发展，电子封装技术在其中发挥着重要的作用。封装形式也从原先的陶瓷封装、金属封装向塑料封装过渡，而现在环氧塑封结构逐渐成为塑料封装形式的主流。
在环氧塑封封装结构中，由于EMC(环氧塑封料)、芯片、基板等材料之间的材料特性不同，比如热膨胀系数、杨氏模量等物性参数，在升温回流的过程中不同材料界面之间受力不同，出现不同程度的形变，导致封装结构失效。
目前国内外对于环氧塑封封装结构的失效形式及失效原因都做了比较多的研究，比如采用不同物性参数的环氧塑封料，不同材料特性的基板等，做一些可靠性试验来观察失效的具体位置和失效原因。现有技术只是根据试验现象表述试验结果，虽然能够在具体的试验范围内给出相对正确的结论，但没有具体的理论支撑，不能说明总体的试验样本得出的数据是可靠的，且进行具体试验所需要的成本较高。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供一种环氧塑封封装结构的优化设计方法，以使得环氧塑封封装结构的优化设计能够得到理论支撑并降低设计成本。
为了解决以上所述的问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种环氧塑封封装结构的优化设计方法，其包括以下步骤：
S10、根据已有经验筛选对于环氧塑封封装结构的某一性能具有影响的物性参数因子，并确定各个物性参数因子高水平值和低水平值；
S20、依据选取的物性参数因子设计正交试验表；
S30、依据选取的物性参数因子建立有限元模型，并按照所述正交试验表进行仿真模拟试验，获取的试验结果填入所述正交试验表形成完整的试验数据表；
S40、对所述试验数据表的所有试验数据进行处理，建立回归模型，求出样本均值和拟合值；
S50、对所述回归模型进行F检验分析，判断是否存在对于所述某一性能具有显著影响的物性参数因子；如是则执行下一步处理，若否则返回步骤S10调整选取的物性参数因子；
S60、对所述回归模型进行T检验分析，确定对于所述某一性能具有显著影响的物性参数因子；
S70、依据以上的分析结果对环氧塑封封装结构的优化设计进行指导。
具体地，所述的某一性能为热应力大小、翘曲水平或湿应力大小。
具体地，所述的物性参数因子包括环氧塑封料的杨氏模量、热膨胀系数和厚度，还包括基板的杨氏模量、热膨胀系数和厚度。
具体地，所述步骤S60还包括：根据所述T检验分析的结果绘制Pareto图，以直观显示具有显著影响的物性参数因子。
具体地，所述步骤S30中，对于某一仿真模拟试验，若是有相应的可靠性试验数据，则导入可靠性试验数据以提高仿真模型的准确度。
本发明实施例提供的环氧塑封封装结构的优化设计方法，运用试验设计与统计学分析相结合的方法，通过仿真模拟试验并进行数据分析处理，在理论层面上得出具有一定理论支撑的试验结论，以使得环氧塑封封装结构的优化设计能够得到理论支撑并降低设计成本。
附图说明
图1是本发明实施例中的环氧塑封封装结构的优化设计方法的流程图；
图2是本发明实施例中根据T检验的结果绘制的标准化效应的Pareto图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明实施例首先提供了一种环氧塑封封装结构的优化设计方法，参阅图1，所述方法包括以下步骤：
S10、根据已有经验筛选对于环氧塑封封装结构的某一性能具有影响的物性参数因子，并确定各个物性参数因子高水平值和低水平值。
具体地，所述的某一性能为热应力大小、翘曲水平或湿应力大小。
具体地，所述的物性参数因子包括环氧塑封料的杨氏模量、热膨胀系数和厚度，还包括基板的杨氏模量、热膨胀系数和厚度。
在本发明具体的实施例中，所述的某一性能选择为热应力大小进行具体说明，其中的物性参数因子包括环氧塑封料(EMC)的杨氏模量、热膨胀系数和厚度以及基板(Substrate)的杨氏模量、热膨胀系数和厚度。本实施例中选取的对于环氧塑封热应力大小可能具有显著影响的物性参数因子参见如下表1。
表1：
Figure BDA0003082467120000031
需要说明的是，表1中，“低”表示对应的物性参数因子的低水平值，“高”表示对应的物性参数因子的高水平值，T1～T3表示温度条件，T1＝25℃，T2＝125℃，T3＝220℃。
S20、依据选取的物性参数因子设计正交试验表。
本实施例中，根据表1的物性参数因子，设计如下表2的正交试验表。
表2：
Figure BDA0003082467120000041
需要说明的是，表2中，标准序中的序号是在设计仿真试验时的序号，运行序是在进行仿真试验时的序号；物性参数因子EMC和Substrate对应列中：“1”表示对应的物性参数因子的高水平值，具体取值从表1中获得；“-1”表示对应的物性参数因子的低水平值，具体取值从表1中获得。
S30、依据选取的物性参数因子建立有限元模型，并按照所述正交试验表(如表2所示)进行仿真模拟试验，获取的试验结果填入所述正交试验表形成完整的试验数据表。
在本实施例中，仿真模拟试验的试验结果即每一试验模型的热应力大小。
在优选的实施例中，在所述步骤S30中，对于某一仿真模拟试验，若是有相应的可靠性试验数据，则导入可靠性试验数据以提高仿真模型的准确度。
S40、对所述试验数据表的所有试验数据进行处理，建立回归模型，求出样本均值
Figure BDA0003082467120000051
和拟合值
Figure BDA0003082467120000052
其中，拟合值
Figure BDA0003082467120000053
根据以下方程式计算：
式1：Xb＝Y，其中，X为物性参数因子的值，b为回归模型中各项系数，Y为试验结果即热应力大小。
由于该方程组是超定方程，即方程数大于自变量数，故需对方程组做如下矩阵变换：
式2：XTXb＝XTY；
式3：b＝(XTX)-1XTY。
由此求解得出的解集合b即为回归方程的各项系数，然后再求出各组试验的拟合值
Figure BDA0003082467120000054
S50、对所述回归模型进行F检验分析，判断是否存在对于所述某一性能具有显著影响的物性参数因子；如是则执行下一步处理，若否则返回步骤S10调整选取的物性参数因子。
根据以下步骤计算回归模型F值：
(1)、回归平方和：
Figure BDA0003082467120000055
(2)、回归自由度：dfR＝k，k为自变量个数，即选取的物性参数因子的数量；
(3)、残差平方和：
Figure BDA0003082467120000061
(4)、残差自由度：dfE＝n-k-1，n为试验次数，k为自变量个数，即选取的物性参数因子的数量；
(5)、回归模型F值：
Figure BDA0003082467120000062
以上式子中，
Figure BDA0003082467120000063
yi、
Figure BDA0003082467120000064
分别对应为样本均值、样本值以及拟合值。
按照所求的自由度，从F分布临界值表中按照横轴自由度dfR和纵轴自由度dfE的大小，查表确定所选定的显著水平(本实施例中显著水平为α＝0.05)的临界F值，然后将所求的回归模型F值与临界F值对比，若回归模型F值大于临界F值，则说明模型可靠，即模型中存在具有对结果显著影响的因子，可进行下一步分析，反之，则需要重新选取影响因子返回步骤S10重复上述步骤。
S60、对所述回归模型进行T检验分析，确定对于所述某一性能具有显著影响的物性参数因子。
具体地，参照以下步骤计算物性参数因子A的T值：
(1)、A的效应＝[Y的平均值|A＝高]-[Y的平均值|A＝低]，其中，[Y的平均值|A＝高]是指物性参数因子A取值为高水平值时对应的试验结果Y的平均值，[Y的平均值|A＝低]是指物性参数因子A取值为低水平值时对应的试验结果Y的平均值；
(2)、A的系数＝A的效应/2；
(3)、
Figure BDA0003082467120000071
(4)、
Figure BDA0003082467120000072
(5)、物性参数因子A的T值TA＝A的系数/A的系数标准误。
以上式子中，yi、
Figure BDA0003082467120000073
分别对应为样本值以及拟合值，n为试验次数。
按照以上步骤计算每一个物性参数因子的T值，根据步骤S50所求的残差自由度dfE，从T分布临界值表中查表确定所选定的显著水平(本实施例中显著水平为双侧α＝0.05)的临界T值，然后将所求的每个物性参数因子的T值与临界T值对比，若某个物性参数因子的T值大于临界T值，则该物性参数因子为对试验结果具有显著影响的因子，反之则不是。
在本实施例中，根据所述T检验分析的结果绘制Pareto图，以直观显示具有显著影响的物性参数因子。具体地，按照如下方法绘制Pareto图：将各物性参数因子的T检验所获得的T值作为纵坐标，按照绝对值的大小排列起来，根据选定的显著性水平α(双侧5％)，给出T值的临界值(本实施例中为2.26)，绝对值超过临界值的将被选中为显著的影响因子。
图2为本实施例中根据T检验的结果绘制的标准化效应的Pareto图，由图可知，本实施例中EMC(环氧塑封料)的热膨胀系数和杨氏模量对于封装结构的热应力大小来说是显著的影响因子，具有较大影响，在封装结构设计和材料选材时应该着重考虑，避免由于该参数引起封装结构失效。
S70、依据以上的分析结果对环氧塑封封装结构的优化设计进行指导。
综上所述，本发明实施例提供的环氧塑封封装结构的优化设计方法，运用试验设计与统计学分析相结合的方法，通过仿真模拟试验并进行数据分析处理，在理论层面上得出具有一定理论支撑的试验结论，以使得环氧塑封封装结构的优化设计能够得到理论支撑并降低设计成本。本发明能够筛选出对于封装结构失效影响最大的因子，从而可以有针对性地提出相应的措施以降低由于该因子所引起的封装结构失效的情形。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (5)

1.一种环氧塑封封装结构的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、根据已有经验筛选对于环氧塑封封装结构的某一性能具有影响的物性参数因子，并确定各个物性参数因子高水平值和低水平值；
S20、依据选取的物性参数因子设计正交试验表；
S30、依据选取的物性参数因子建立有限元模型，并按照所述正交试验表进行仿真模拟试验，获取的试验结果填入所述正交试验表形成完整的试验数据表；
S40、对所述试验数据表的所有试验数据进行处理，建立回归模型，求出样本均值和拟合值；
S50、对所述回归模型进行F检验分析，判断是否存在对于所述某一性能具有显著影响的物性参数因子；如是则执行下一步处理，若否则返回步骤S10调整选取的物性参数因子；
S60、对所述回归模型进行T检验分析，确定对于所述某一性能具有显著影响的物性参数因子；
S70、依据以上的分析结果对环氧塑封封装结构的优化设计进行指导。
2.根据权利要求1所述的环氧塑封封装结构的优化设计方法，其特征在于，所述的某一性能为热应力大小、翘曲水平或湿应力大小。
3.根据权利要求1所述的环氧塑封封装结构的优化设计方法，其特征在于，所述的物性参数因子包括环氧塑封料的杨氏模量、热膨胀系数和厚度，还包括基板的杨氏模量、热膨胀系数和厚度。
4.根据权利要求1所述的环氧塑封封装结构的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S60还包括：根据所述T检验分析的结果绘制Pareto图，以直观显示具有显著影响的物性参数因子。
5.根据权利要求1-4任一所述的环氧塑封封装结构的优化设计方法，其特征在于，所述步骤S30中，对于某一仿真模拟试验，若是有相应的可靠性试验数据，则导入可靠性试验数据以提高仿真模型的准确度。
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