CN117313645B - 一种球栅阵列封装芯片热应力仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及芯片封装技术领域，具体涉及一种球栅阵列封装芯片热应力仿真方法。本发明对球栅阵列封装芯片热应力进行仿真，建立球栅阵列封装模型，反映非弹性应变与施加荷载的关系。芯片焊点受到约束条件作用，其应力应变响应随载荷变化呈现出线性变化趋势。对封装芯片进行热应力仿真，预测焊点在热循环下的疲劳寿命。实验表明此次仿真输出的芯片焊点疲劳寿命高于现有仿真方法，并更接近芯片标准寿命，因此更具有可靠性，有利于实际芯片产品设计。本发明提出的热应力仿真方法提高芯片焊点可靠性，输出的芯片焊点疲劳寿命高于现有方法，输出结果比较理想，更接近于芯片标准寿命，有利于提高芯片设计可靠性。

Description

一种球栅阵列封装芯片热应力仿真方法

技术领域

本发明涉及芯片封装技术领域，具体涉及一种球栅阵列封装芯片热应力仿真方法。

背景技术

芯片产品长期在温度条件变化较大的环境中服役，需要频繁经历温度循环和设备启停，随着芯片集成度的不断增大，对焊接及芯片可靠性提出了更高的要求。球栅阵列封装技术是目前使用较为广泛的芯片封装技术，能够提高产品密度和引脚性能。在芯片服役过程中，有可能出现复位失效等运行故障，使芯片无法正常运行，导致整个电子产品出现故障，影响后续使用功能。为解决此类故障，需要对芯片进行热力学仿真，探究可能出现的故障位置和失效原因。

随着研究的不断深入，国内外学者对芯片热力学仿真开展广泛研究，取得一定成果。研究过程侧重于芯片焊点和焊接可靠性仿真，包括对焊点组成形态及材料对可靠性的影响，分析不同影响因素对芯片质量的影响，以此确定不同焊接工艺的理论参数，为芯片焊接提供指导。现有热应力仿真方法主要对芯片焊点形态及缺陷位置进行仿真，缺少对焊接中的应力应变响应模拟，导致芯片焊点疲劳寿命较低，影响芯片的可靠性。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提出了一种球栅阵列封装芯片热应力仿真方法。

本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：

一种球栅阵列封装芯片热应力仿真方法，具体包括以下步骤：

S1、建立球栅阵列封装模型：基于有限元分析方法，建立芯片焊点力学本构模型，通过芯片焊点力学本构模型，反映非弹性应变与施加荷载的关系；

S2、确定芯片焊点应力应变响应：单个芯片最外侧焊点受到的应力最大，内部焊点的应力小于最外侧焊点，整个应力变化呈现出从外侧向内部逐渐减少的趋势；利用此种应力变化仿真出实际芯片焊点失效范围和趋势；当焊点产生疲劳裂纹时，其等效静力分布更为明显，将该位置标记为危险点，危险点内部具有温度差异，随着环境载荷变化，危险点产生较大的结构应力，等效应力处于波动状态；

S3、封装芯片热应力仿真：模拟热应力变化，以此预测焊点在热循环下的疲劳寿命；在球栅阵列封装加载时，考虑结构的对称性，在基板和芯片外侧施加对称位移约束，中心施加主应力方向的位移约束；热循环过程中，封装局部位置产生集中应力应变；计算各焊点应力应变，随着循环周期的增加，得出整体变化趋势，与相同条件下的剪切性能进行对比，以此完成热应力变化过程。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述S1具体包括以下步骤：采用粘塑性本构方程，计算芯片焊点变形量；设定变形阻抗为变量参数，表征焊点材料在热应力过程中的平均阻抗，则焊点本构结构模型表示为：

α＝λβ (1)

公式(1)中，α表示焊点本构结构；λ表示材料参数；β表示变形阻抗；

λ在恒应变速率条件下的计算公式为：

公式(2)中，a表示用力乘子；v表示非弹性应变速率；c表示常数；p表示激活能；T表示绝对温度；m表示应变率敏感指数；

建立模型使用的流动方程如下：

v＝f(α,β,T) (3)

将式(1)与(2)带入式(3)，得到流动方程的具体形式：

模型变量变化方式表示为：

式(5)中，A表示给定温度和应变的变量饱和值；B表示系数；n表示饱和值反应率敏感指数。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述S3中，对于某一节点的应力状态，在一定变形条件下，焊点的等效应力达到某一定值，则进入屈服状态，利用屈服原则判断焊点的行为性质，计算公式如下：

式(6)中，P表示屈服应力；P₁，P₂，P₃表示主应力；

根据屈服应力，判断焊点是否表现为塑性行为；根据线性热应力理论，得到热力学弹性方程为：

式(7)中，θ₁，θ₂，θ₃表示主应力应变；I表示拉压对应的弹性模量；μ表示泊松系数；η表示热膨胀系数；T表示温度。

本发明提出的一种球栅阵列封装芯片热应力仿真方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提出的热应力仿真方法提高芯片焊点可靠性，输出的芯片焊点疲劳寿命高于现有方法，输出结果比较理想，更接近于芯片标准寿命，有利于提高芯片设计可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的球栅阵列封装芯片热应力仿真方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的球栅阵列封装芯片热应力仿真方法与现有技术的仿真偏差对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。

如图1所示，一种球栅阵列封装芯片热应力仿真方法，具体包括以下步骤：

S1、建立球栅阵列封装模型：基于有限元分析方法，建立芯片焊点力学本构模型，通过芯片焊点力学本构模型，反映非弹性应变与施加荷载的关系；为进行球栅阵列封装芯片热应力仿真，首先建立有效的仿真模型，仿真分析方法输出结果能否真实可靠，关键在于建立的仿真模型是否准确有效，并具有代表性和适用性。本发明基于有限元分析方法，建立芯片焊点力学本构模型，通过此仿真模型，反映非弹性应变与施加荷载的关系。一般情况下，芯片焊点的熔点较低，在受力时易发生蠕变现象，该现象与环境条件、焊接材料及条件关系密切，并且蠕变变形量随时间变化而发生变化，具有一定粘性效应。芯片焊点焊接过程中除了存在蠕变变形，还存在塑性变形，由于两种变形都是由焊接材料相互运动产生位移导致，因此应采用粘塑性本构方程，计算芯片焊点变形量。在芯片焊点焊接过程中，焊点受到热冲击产生形变，假设此过程不存在屈服面，则应力变化对应塑性变形。采用粘塑性本构方程，计算芯片焊点变形量；设定变形阻抗为变量参数，表征焊点材料在热应力过程中的平均阻抗，则焊点本构结构模型表示为：

α＝λβ (1)

公式(1)中，α表示焊点本构结构；λ表示材料参数；β表示变形阻抗；

λ在恒应变速率条件下的计算公式为：

公式(2)中，a表示用力乘子；v表示非弹性应变速率；c表示常数；p表示激活能；T表示绝对温度；m表示应变率敏感指数；

建立模型使用的流动方程如下：

v＝f(α,β,T) (3)

将式(1)与(2)带入式(3)，得到流动方程的具体形式：

模型变量变化方式表示为：

式(5)中，A表示给定温度和应变的变量饱和值；B表示系数；n表示饱和值反应率敏感指数。在建立数学模型的基础上，导入到三维设计软件中创建有限元模型，对该模型各模块设置材料属性和合并、简化设置。定义各模块属性，设置网格参数，对模型生成网格，以此生成分析节点和单元。

S2、确定芯片焊点应力应变响应：单个芯片最外侧焊点受到的应力最大，内部焊点的应力小于最外侧焊点，整个应力变化呈现出从外侧向内部逐渐减少的趋势；利用此种应力变化仿真出实际芯片焊点失效范围和趋势；当焊点产生疲劳裂纹时，其等效静力分布更为明显，将该位置标记为危险点，危险点内部具有温度差异，随着环境载荷变化，危险点产生较大的结构应力，等效应力处于波动状态；由于建立模型各组件的热膨胀系数不一致，因此在芯片焊点反复受到焊接热冲击作用，从而产生形变的过程中，芯片焊点同时受到内部剪应力作用，因此最外侧焊点的变形量最大，并且最外侧位置焊点的应力应变也最大。相对于其他芯片焊点位置，该位置对芯片焊接可靠性的影响最大，焊点的疲劳裂纹在该区域最先产生的概率较大。当最外侧焊点产生疲劳裂纹后，向其他区域扩散，最后导致焊点断裂失效。对本发明建立的仿真模型来说，单个芯片最外侧焊点受到的应力最大，内部焊点的应力小于最外侧焊点，整个应力变化呈现出从外侧向内部逐渐减少的趋势。利用此种应力变化可以仿真出实际芯片焊点失效范围和趋势[7]。随机选取某一焊点，其两侧应力应具有一定差异。由于焊点、印制板和芯片封装的热膨胀系数存在明显差异，因此焊点接近印制板一侧的应力更大。芯片焊点的应力值不能一直保持不变，时间和温度变化，应力值发生相应改变，当温差较大时，应力变化的波动幅值更加明显，此现象通常发生在低温循环阶段。当温度发生变化，不论是温度升高或降低，此时的环境载荷都出现变动，芯片各处出现温度差异。芯片各焊点发生弯曲变形，但各部分相互牵制，弯曲结构产生较大的应力。

保温阶段，环境荷载趋于稳定值，此时芯片焊点变形量也相对保持不变。当焊点产生疲劳裂纹时，其等效静力分布更为明显，将该位置标记为危险点，危险点内部具有温度差异，随着环境载荷变化，危险点产生较大的结构应力，即使进入保温阶段，其变形量也不能达到稳定状态，等效应力依然处于波动状态。通过确定芯片焊点应力应变响应，可以得到形变应力松弛程度，为热应力仿真提供应变趋势和范围。

S3、封装芯片热应力仿真：模拟热应力变化，以此预测焊点在热循环下的疲劳寿命；在球栅阵列封装加载时，考虑结构的对称性，在基板和芯片外侧施加对称位移约束，中心施加主应力方向的位移约束；热循环过程中，封装局部位置产生集中应力应变；计算各焊点应力应变，随着循环周期的增加，得出整体变化趋势，与相同条件下的剪切性能进行对比，以此完成热应力变化过程。

无论是恒电流还是恒热源条件，都会在封装芯片内部产生不合理温度分布，引起热应力，影响信号传输特性。针对此情况，进行封装芯片热应力仿真，模拟热应力变化，以此预测焊点在热循环下的疲劳寿命。在进行热应力耦合前，需要将模拟得到节点温度作为载荷施加在封装芯片上。以此在仿真软件中输入材料的热力学和弹性性能参数。此次研究选取的热应力分析单元为结构实体单元，该单元为六面体结构，具有8个节点，对变形、应变、塑性和屈服问题有很好的适应性。对于某一节点的应力状态，不能仅依靠应力分量决定焊点的行为性质。在一定变形条件下，焊点的等效应力达到某一定值，则进入屈服状态，利用屈服原则判断焊点的行为性质，计算公式如下：

式(6)中，P表示屈服应力；P₁，P₂，P₃表示主应力；

根据屈服应力，判断焊点是否表现为塑性行为；根据线性热应力理论，得到热力学弹性方程为：

式(7)中，θ₁，θ₂，θ₃表示主应力应变；I表示拉压对应的弹性模量；μ表示泊松系数；η表示热膨胀系数；T表示温度。

在球栅阵列封装加载时，考虑结构的对称性，在基板和芯片外侧施加对称位移约束，中心施加主应力方向的位移约束。热循环过程中，封装局部位置产生集中应力应变。当温度加载到第四个周期，封装结构的应力应变趋于稳定，因此热循环模拟也是封装芯片热应力仿真的主要内容。首先计算各焊点应力应变，随着循环周期的增加，得出整体变化趋势，与相同条件下的剪切性能进行对比，以此描述热应力变化过程。

为验证本发明提出的球栅阵列封装芯片热应力仿真分析方法的有效性，设计仿真实验，并与现有热应力仿真方法进行对比，比较并分析仿真结果的差异性。

由于芯片结构及其载荷具有对称性，为减少计算量，本次实验建立的芯片模型包括四个部件，分别为PCB板、焊料、器件和引脚。芯片仿真参数见表1：

表1芯片仿真参数

Table 1 Chip simulation parameters

此次仿真采用Solid45线性单元，采用扫掠方式划分网格，划分网格共计115674个单元，692875个节点，平均网格质量为0.92，大多数网格质量集中在0.82～0.99范围内，满足网格质量必须大于0.7的要求。在PCB板底部施加垂直中心面和两侧的作用力，限制单元的移动和旋转。在此仿真条件下，对芯片焊点寿命进行预测。

本次实验采用芯片焊点疲劳寿命的仿真预测结果，检验热应力仿真方法的可行性，并与现有的仿真方法进行比较。采用此次设计方法与现有方法分别对芯片焊点疲劳寿命进行预测，比较与分析仿真结果。在焊点直径分别为0.2mm、0.4mm和0.6mm的仿真条件下，预测并计算芯片焊点疲劳寿命，具体计算公式如下：

式(8)中，t表示芯片焊点疲劳寿命；α表示等效剪切应变范围；β表示材料常数；δ表示疲劳延性指数；T表示热循环温度；φ表示循环频率。芯片焊点疲劳寿命的仿真结果见表2-4：

表2焊点直径d＝0.2mm时仿真结果

Table 1 Chip simulation parameters

表3焊点直径d＝0.4mm时仿真结果

Table 3 Simulation results when welding spot diameter D＝0.4mm

表4焊点直径d＝0.6mm时仿真结果

Table 4 Simulation results when welding spot diameter D＝0.6mm

根据表2-4仿真结果，随着焊点直径的增加，芯片焊点疲劳寿命减少，芯片可靠性也随之降低。在焊点直径为0.2mm的仿真条件下，此次设计的热应力仿真方法得到的芯片焊点疲劳寿命为261.27h，比现有方法高出51.09h和54.65h；在焊点直径为0.4mm的仿真条件下，此次设计方法仿真结果为178.63h，比现有方法高出69.30h和70.06h；在焊点直径为0.6mm的仿真条件下，此次设计方法仿真结果为78.72h，比现有方法高出37.79h和40.77h。证明本发明提出的热应力仿真方法输出的芯片焊点疲劳寿命高于现有方法。进一步计算仿真输出结果与芯片标准寿命的偏差，统计结果见图2。

根据图2偏差对比结果，本发明仿真方法输出值与标准寿命的偏差较小，明显低于现有方法的仿真偏差，说明本发明仿真方法的结果比较理想，更接近于芯片标准寿命，可以大幅度提高芯片产品设计的可靠性。

本发明对球栅阵列封装芯片热应力进行仿真，建立球栅阵列封装模型，反映非弹性应变与施加荷载的关系。芯片焊点受到约束条件作用，其应力应变响应随载荷变化呈现出线性变化趋势。对封装芯片进行热应力仿真，预测焊点在热循环下的疲劳寿命。实验表明此次仿真输出的芯片焊点疲劳寿命高于现有仿真方法，并更接近芯片标准寿命，因此更具有可靠性，有利于实际芯片产品设计。

以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种球栅阵列封装芯片热应力仿真方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、建立球栅阵列封装模型：基于有限元分析方法，建立芯片焊点力学本构模型，通过芯片焊点力学本构模型，反映非弹性应变与施加荷载的关系；

S2、确定芯片焊点应力应变响应：单个芯片最外侧焊点受到的应力最大，内部焊点的应力小于最外侧焊点，整个应力变化呈现出从外侧向内部逐渐减少的趋势；利用此种应力变化仿真出实际芯片焊点失效范围和趋势；当焊点产生疲劳裂纹时，其等效静力分布更为明显，将该位置标记为危险点，危险点内部具有温度差异，随着环境载荷变化，危险点产生较大的结构应力，等效应力处于波动状态；

S3、封装芯片热应力仿真：模拟热应力变化，以此预测焊点在热循环下的疲劳寿命；在球栅阵列封装加载时，考虑结构的对称性，在基板和芯片外侧施加对称位移约束，中心施加主应力方向的位移约束；热循环过程中，封装局部位置产生集中应力应变；计算各焊点应力应变，随着循环周期的增加，得出整体变化趋势，与相同条件下的剪切性能进行对比，以此完成热应力变化过程。

2.根据权利要求1所述的球栅阵列封装芯片热应力仿真方法，其特征在于，所述S1具体包括以下步骤：采用粘塑性本构方程，计算芯片焊点变形量；设定变形阻抗为变量参数，表征焊点材料在热应力过程中的平均阻抗，则焊点本构结构模型表示为：

α＝λβ (1)

公式(1)中，α表示焊点本构结构；λ表示材料参数；β表示变形阻抗；

λ在恒应变速率条件下的计算公式为：

公式(2)中，a表示用力乘子；v表示非弹性应变速率；c表示常数；p表示激活能；T表示绝对温度；m表示应变率敏感指数；

建立模型使用的流动方程如下：

v＝f(α,β,T) (3)

将式(1)与(2)带入式(3)，得到流动方程的具体形式：

模型变量变化方式表示为：

式(5)中，A表示给定温度和应变的变量饱和值；B表示系数；n表示饱和值反应率敏感指数。

3.根据权利要求1所述的球栅阵列封装芯片热应力仿真方法，其特征在于，所述S3中，对于某一节点的应力状态，在一定变形条件下，焊点的等效应力达到某一定值，则进入屈服状态，利用屈服原则判断焊点的行为性质，计算公式如下：

式(6)中，P表示屈服应力；P₁，P₂，P₃表示主应力；

根据屈服应力，判断焊点是否表现为塑性行为；根据线性热应力理论，得到热力学弹性方程为：

式(7)中，θ₁，θ₂，θ₃表示主应力应变；I表示拉压对应的弹性模量；μ表示泊松系数；η表示热膨胀系数；T表示温度。