基于不同合金焊球的POP热可靠性研究开题报告

1．毕业设计的主要内容、重点和难点等

本毕业设计的主要内容包括：学习掌握不同合金焊球的相关材料属性和微电子封装技术，特别是叠层封装技术POP（Package on Package ）的相关知识。了解叠层封装技术的组装工艺流程、发展现状与可靠性分析，掌握电子元器件失效的基本思想及其机理并基于有限元软件ANSYS对不同合金焊球的POP封装结构模型进行建模与热仿真分析。在建立 PoP 结构三维有限元模型基础上，分析在不同合金时上下两层焊球在温度循环载荷下的应力分布及随时间的变化情况，找到最关键焊球的位置然后对仿真结果进行对比分析，对POP封装的热可靠性做出预测。

设计的重点在于对有限元软件ANSYS的学习与应用，学会用有限单元法对实体模型的网格划分与进行计算仿真。然后在此基础上对最目前最先进的叠层封装结构进行建模，分析不同合金焊球在在一定环境温度条件时的受力情况进而对其可靠性做出预测，另外还要对叠层封装技术及材料的属性、力学性能的学习了解。

设计的难点：①对有限元软件ANSYA的学习与使用，要熟悉ANSYS的流程；②学会用ANSYS对不同实体模型的建模与仿真，通过定义不同的材料属性对模型进行计算；③学习传热学的基础知识，学会对不同合金焊球的POP热可靠性进行仿真分析；④认识和掌握不同材料的力学性能并对其失效机理进行分析与预测。

2．准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等）

通过相关文献的查阅，我了解到叠层封装技术（Package-on-Package，PoP）是目前最经济、应用最广泛的一种三维封装技术，随着半导体制造技术以及立体封装技术的不断发展，电子器件和电子产品对多功能和小型化的要求越来越高。在这种小型化趋势的推动下，要求芯片的封装尺寸不断减小，性能不断增加，故叠层封装应运而生，其在手机、数码相机等便携式数字电子产品中应用非常广泛。封装堆叠PoP具有如下优点：①PoP具有更多的灵活性和可扩展性，缩短了产品的上市时间；②PoP允许装配前各个器件单独测试，保障了更高的良品率；③PoP在堆叠封装的组装形式中具有较低的成本。

作为一种具有潜力的三维封装技术，为了适应多变的数码产品的要求，PoP 也不断的发展与改进。随着3G时代的到来，POP将朝着更小的底部引脚间距和更高的可靠性能发展。由于手机、数码相机等POP数码产品在运输和使用过程中难免会受到热冲击等环境的影响，所以如何提高POP热可靠性成为一大关键问题。焊点在电子封装技术中不仅用于电气连接、机械连接，还为芯片提供热耗散通道，这使得焊球的可靠性尤为突出，而焊球是否含铅对POP的热可靠性具有很大的影响。针对这一问题本次毕业设计将回绕基于不同合金焊球下对POP进行热可靠性的分析。这对于缩短产品的研发周期、提高产品的可靠性预测起着重要的意义。

目前微电子封装的可靠性研究可以通过试验研究和理论计算两种途径来完成。常用的机械试验有振动、冲击、跌落和碰撞等，气候试验如恒温恒湿、温度/湿度循环、冷热冲击、高压蒸煮、盐雾、UV 老化等。理论分析方法主要是用有限单元法，采用有限元软件分析可靠性问题。通过有限元模拟计算可以得到新产品可靠性数据，这样就避免了样品试制后的可靠性试验，从而节约大量研发成本，缩短产品开发周期。在理论研究方面有中国航空综合技术研究所任 超、罗 成、丁 俊，中国科学院理化技术研究所的谢秀娟等通过有限元分析方法分析了Sn95.5Ag3.8Cu0.7焊料下POP封装热可靠性，有电子科技大学的李磊通过有限元法分析了SnPb焊料下POP封装焊点的可靠性并对焊球的应力应变进行了分析。

因此本次毕业设计将于以此为背景的情况下基于不同合金焊球（有铅和无铅）POP的热可靠性进行分析。

查阅的文献资料有：

[1]颜学优.封装堆叠（PoP）可靠性的研究[D] 广州：华南理工大学, 2010.

[2]刘静，潘开林等. 叠层封装技术[J] 半导体技术，2011年，36卷第2期：161~164.

[3]樊强. 材料选择对BGA焊点热可靠性影响的有限元仿真研究[D] 天津：天津大学，2005

[4]李磊. 三维叠层CSP/BGA封装的热分析与焊点可靠性分析[D] 成都：电子科技大学

[5] 任 超, 罗 成等层叠封装热疲劳寿命的有限元法分析[J] 电子元件与材料，2011年，第30卷第6期 70~73.

[6] Moody Dreiza, Akito Yoshida等. 层叠封装(PoP,Package-on-Package)设计的指导原则[J] 中国集成电路,2005年，总第79期，61~65

[7] 周良知. 微电子器件封装：封装材料与封装技术[M]. 北京：化学工业出版社，2006.

[8] 夏泓等.电子元器件失效分析及应用[M]. 北京：国防工业出版社，1998.

[9] 中国电子学会生产技术学分会丛书编委会. 微电子封装技术[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，2003.

[10] 祝效华，余志祥等.ANSYS高级工程有限元分析范例精选[M].北京：电子工业出版社.2004.

[11]周根明.传热学学习指导及典型习题分析[M].北京：中国电力出版社，2004

现有设备为：电脑一台；ANSYS有限元软件一套。

3、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料

实施方案：①学习了解电子封装材料的材料属性及其物理特性；②学习电子封装与组装技术，了解电子封装焊球可靠性问题；③运用ANSYS软件对不同合金焊球（有铅和无铅）在环境温度下可靠性的三维有限元数值模拟仿真分析；包括：建立POP封装的有限元模型，定义焊球、PCB基板、封装材料等的材料属性和相关参数然后定义单元类型和对模型边界施加约束、取POP结构的四分之一模型进行网格划分、对模型施加热循环载荷（热循环载荷的温度变化范围为-55º~125º）并求解，根据结果进行应力应变分析。④根据仿真结果对不同合金焊球的热可靠性进行对比，做出可靠性的预测。

进度实施计划及预期效果如下：

指导教师意见

指导教师（签字）：

                                     2012年12月　　日

开题小组意见

开题小组组长（签字）：

2013年1 月　　日

院（系、部）意见

主管院长（系、部主任）签字：

                                                       2013年1月　　日