基于倒裝焊接的電子封裝器件熱性能的研究.pdf

1、尺寸小型化與功率高密度化是當今電子封裝器件兩大主要發(fā)展趨勢。高熱流密度芯片發(fā)展要求封裝器件具有更好的熱耗散能力和更高的熱可靠性；電子產(chǎn)品的小型化趨勢及便攜性要求則是空冷技術(shù)發(fā)展的助推劑。如何在承受高熱流密度的同時保證電子封裝器件的熱性能是當今熱工工程師所面臨的重要課題。 本研究以加速芯片耗散熱的輸出、降低工作溫度、減少熱失配與熱應力、提高封裝器件的熱可靠性能和使用壽命為目標，對空氣沖擊射流換熱特性、焊料的熱機械性能進行基礎性的實

2、驗研究；在此基礎上，建立非線性熱應力耦合數(shù)學模型，并以FC-CBGA封裝器件為研究對象，以ANSYS為計算平臺，對服役狀態(tài)下器件溫度和應力分布進行數(shù)值模擬研究，并對封裝器件熱可靠性進行評價與預測。主要工作如下： 基于數(shù)值模擬輔助實驗研究理念，針對換熱實驗系統(tǒng)與熱機械性能測試系統(tǒng)，建立了相應數(shù)值模型。通過模擬動態(tài)測試過程，從數(shù)值角度定性與定量分析實驗誤差及其產(chǎn)生原因，并通過數(shù)值模擬輔助分析實驗結(jié)果。研究表明，在合理選擇數(shù)學模型和計

3、算方法的前提下，實驗數(shù)值結(jié)合法對發(fā)現(xiàn)實驗方法與系統(tǒng)的缺陷，評價測試準確性，及定性及定量分析實驗數(shù)據(jù)和解釋現(xiàn)象具有裨益。該理念將貫穿于整個研究工作中。 對毫米級孔徑受限空氣沖擊射流換熱特性進行了較系統(tǒng)的實驗研究與理論分析。結(jié)果表明受限沖擊射流換熱性能與其流態(tài)與速度分布及空間受限程度密切相關(guān)，單孔直(無旋轉(zhuǎn))沖擊射流在駐點區(qū)具有很強的局部換熱特性；在相同Re下，單孔旋轉(zhuǎn)沖擊射流Nu存在明顯的峰值外遷現(xiàn)象，因此提高旋轉(zhuǎn)度可有效改善射流

4、換熱的均勻性；在相同流量下，由于射流之間的相互干涉和碰撞使駐點間的換熱系數(shù)不再呈單調(diào)變化，多孔沖擊射流換熱較單孔更為均勻。 為順應焊料無鉛化的趨勢，對新型無鉛焊料96.5Sn3.5Ag的熱機械行為進行了探討。研究表明，采用Anand粘塑性模型可對焊料96.5Sn3.5Ag熱機械行為進行正確描述。并在焊料疲勞特性實驗研究基礎上，結(jié)合位錯理論、斷裂理論、蠕變損傷理論等對焊料疲勞行為進行理論分析，分析表明，軟焊料疲勞失效機理與溫度密切

5、相關(guān)，蠕變損傷與疲勞損傷共同作用導致軟焊料疲勞失效。本研究將為新型焊料熱機械行為與失效機理研究提供有益思路。 外部換熱模式與器件內(nèi)部參量的分布密切相關(guān)，故服役狀態(tài)與均溫狀態(tài)熱機械行為存在偏差，因此以服役狀態(tài)為基準對器件的熱機械行為與熱可靠性能進行探討更接近工程實際，其預測結(jié)果也更趨安全性。在服役狀態(tài)下器件的熱可靠性能研究涉及多場耦合研究；此外在室溫條件下焊料已表現(xiàn)出蠕變等非彈性力學特性，故器件的熱可靠性能研究還涉及非線性問題。本

6、文在探討了非定常溫度場與應力場耦合機理的基礎上，對耦合熱彈塑性問題進行了簡化與解耦，提出采用單向順序耦合方法來求解固體材料內(nèi)部非定常熱應力場。并基于增量理論，對非線性熱應力耦合問題及相應的有限元求解方法進行了探討。 基于非線性理論與有限單元法，在對服役狀態(tài)倒裝焊球陣列封裝器件溫度分布與應力分布進行瞬態(tài)數(shù)值模擬分析的基礎上，對處于多軸應力條件下焊點高溫低周疲勞壽命預測方法進行了探討。在研究中，采用粘塑性模型對焊料熱機械行為進行描述