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BGA封装的热应力分析及其热可靠性研究的开题报告【摘要】BGA（Ball Grid Array）封装技术作为目前主流的高密度封装方式之一，其热应力问题一直是制约其可靠性提高的主要因素之一。
本文将对BGA封装的热应力问题进行分析，并探究其热可靠性研究方法，为BGA封装的热可靠性提高提供理论基础和实践指导。
【关键词】BGA封装；热应力；热可靠性研究；分析探究【引言】BGA封装技术广泛应用于微电子领域，由于其高集成度和高可靠性特点，被广泛应用于服务器、网络设备、工控设备等高端电子产品中。
BGA封装技术的可靠性问题是电子产品研发和生产中需要重点考虑的问题之一，而其主要瓶颈是热应力问题。
因此，本文将重点探究BGA封装的热应力问题及其热可靠性研究方法。
【热应力问题分析】BGA封装中，由于封装体与衬底、芯片之间的热膨胀系数不同，电子器件处于热载荷状态下产生热应力，严重影响器件的可靠性。
目前，BGA封装中产生热应力的主要原因包括以下几个方面：1.材料热膨胀系数不匹配：BGA封装中，由于材料的热膨胀系数不匹配，导致封装体与芯片、衬底之间发生热应力。
2.退火温度不当：封装体的退火温度不当，容易使封装体与衬底间的热应力加剧。
3.模型尺寸不匹配：由于模型尺寸不匹配，导致BGA封装的应力分布失调，使得电子器件的可靠性受到影响。
4.基板选择不当：基板的选择不当，导致基板与芯片、封装体之间的热膨胀系数不匹配，产生热应力。
【热可靠性研究方法】针对BGA封装的热应力问题，热可靠性研究方法可以从以下几个方面展开：1.材料热膨胀系数匹配：在BGA封装过程中，材料热膨胀系数匹配关乎着封装体及器件的可靠性。
因此，应选用热膨胀系数相符合的材料进行封装。
2.合理选择退火温度：BGA封装中，退火温度应当根据材料的热膨胀系数选取适当的温度，并应尽量保证各部分材料的热膨胀系数一致，以减少热应力对器件的影响。
3.针对封装体的模型进行优化：对BGA封装的模型进行优化，以确定封装体的尺寸和材料，从而控制热应力的产生和传播，提高封装的可靠性。
PBGA封装的热应力与湿热应力分析比较王栋，马孝松，祝新军(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)摘要：塑封球栅平面阵列封装作为一种微电子封装结构形式得到了广泛的应用。
本文采用有限元软件分析和计算了在潮湿环境下塑封球栅平面阵列封装的潮湿扩散分布，进而分别模拟计算了它的热应力与湿热应力，并且加以分析比较。
关键词：塑封球栅平面阵列封装；有限元；热应力；湿热应力Analysis and Comparison of Thermal Stress andHygrothermal Stress of PBGA PackageWANG Dong, MA Xiao-song, ZHU Xin-jun(Guilin University of Electronic Technology, Guangxi, Guilin 541004, China)Abstract: Plastic ball grid array (PBGA) package has been used widely as a microelectronics packaging structural form. In this paper, the finite element analysis on moisture diffusion in PBGA package during moisture preconditioning by using a FEA software is studied and modeled. Then, thermal stress and hygrothermal stress of PBGA package are simulated and calculated separately, and their performances are analyzed and compared.Keywords: PBGA package; FEM; Thermal stress; Hygrothermal stress在各种微电子封装类型中，目前约占90%以上都采用以高分子材料为基体的复合材料封装。
国际标准中热应力评价标准的对比
刁成玉琢;李百战;洪丽璇;张颖
【期刊名称】《暖通空调》
【年(卷),期】2017(047)012
【摘要】热应力是高温高湿条件下评价工作人员可接受环境的重要参数.详细介绍了ISO标准中涉及热应力评价的6部主要标准,深入分析并比较了这6部标准在热应力评价上的异同,并阐述了特殊应用的2部标准.对比发现,各标准评价范围、评价原理及方法、测量参数及仪器均存在一定差异.针对交通工具的评价和针对特殊人群的评价扩大了适用人群的范围,使得评价更全面,体系更加完整.介绍了我国热应力标准的发展.
【总页数】7页(P8-14)
【作者】刁成玉琢;李百战;洪丽璇;张颖
【作者单位】重庆大学绿色建筑与人居环境营造教育部国际合作联合实验室;三峡库区生态环境教育部重点实验室;重庆大学绿色建筑与人居环境营造教育部国际合作联合实验室;三峡库区生态环境教育部重点实验室;重庆大学绿色建筑与人居环境营造教育部国际合作联合实验室;三峡库区生态环境教育部重点实验室;重庆大学绿色建筑与人居环境营造教育部国际合作联合实验室;三峡库区生态环境教育部重点实验室
【正文语种】中文
【相关文献】
1.中、美、英三国绿色建筑评价标准对比分析 [J], 金梦苏;潘坤
2.中、美、新三国绿色建筑评价标准对比分析 [J], 李蕾;李沁;刘金祥
3.国内外绿色建筑评价标准中对规划阶段要求的对比分析 [J], 李宝鑫;马旭升;于迎雨
4.关于绿色建筑与绿色生态城区评价标准中绿色交通内容的对比分析* [J], 李宝鑫;李旭东;芦岩;刘建华
5.中俄两国绿色建筑评价标准中节能评价指标的对比 [J], 贾思毅;刘明辉
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功能梯度材料的热应力分析及研究进展黄梦婷;蒲伟于【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2015(34)7【摘要】功能梯度材料是一种集高强度与高耐热性于一体的新型复合材料。
本文重点对组分分布模型和物性参数模型进行了分析比较，讨论了组分分布系数、物性参数、空隙率等因素对残余热应力的影响，对FGM热应力研究领域的发展趋势做了一些展望。
%Functionally graded material (FGM) is a new composite material with high-strength and high heat resistance. This article compares the component distribution model and physical parameter model and discusses the influence of component distribution coefficient, physical, voidage and other factors on the thermal residual stress. The development trends of FGM thermal stress research is prospected.【总页数】2页(P15-15,16)【作者】黄梦婷;蒲伟于【作者单位】河北工程大学，邯郸056038;昆明理工大学，昆明650093【正文语种】中文【中图分类】TB33【相关文献】1.功能梯度材料热应力研究进展 [J], 曹蕾蕾;裴建中;陈疆;张涛2.非均匀温度场下变物性二维功能梯度材料板的瞬态热应力分析 [J], 仝国军;许杨健3.功能梯度材料结构的热应力边界元分析 [J], 高效伟;杨恺4.辐照防护用TiC/C功能梯度材料微结构与残余热应力分析 [J], 田蔚;李叙华;张宏亮;王坤杰;张兆甫5.W/ODS铁素体钢功能梯度材料热应力分析 [J], 王浩楠;李争显;华云峰;姬寿长;王彦峰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于三维多芯片柔性封装的热应力分析苏梅英;陆原;万里兮;侯峰泽;张霞;郭学平【摘要】The model of 3D multichip flexible encapsulation structure were created by means of simulation software AN⁃SYS. The finite element 2D model is used to simulate the encapsulation structure thermal stress and strain produced under the condition of thermal cycling temperature -40~125 ℃. The influence of chip thickness,substrate thickness,bump height and molding materials on thermal stress and strain is discussed. The results show that Von Mises stress of the flexible encapsulation body occurs mainly at the junction of bumps and chips,and assumes decline trend with thinning of the chip thickness. To in⁃crease the height of bumps can decrease the Von Mises stress for the flexible package structure. Besides,the substrate thickness has some effect on the thermal strain. The molding material with big coefficient of thermal expansion,and strong dependent rela⁃tionship of Young modulus and temperature can produce more thermal strain.%利用ANSYS软件针对一种三维多芯片柔性封装结构进行建模，通过有限元2D模型模拟该封装结构在热循环温度-40~125℃条件下产生的热应力/应变情况，讨论了芯片厚度、基板厚度、微凸点高度及模塑封材料对热应力/应变的影响。
CSP结构的热应力分析
孙炳华
【期刊名称】《信息技术》
【年(卷),期】2008(32)11
【摘要】利用ansys软件通过仿真得到了在稳态情况下的CSP结构热场分布,在此基础上,把稳态情况下的热场分布作为温度载荷施加到模型上,得到了CSP结构热应力分布,这对集成电路热设计方案的选择,尤其对提高大功率集成电路的可靠性具有重要意义.
【总页数】4页(P46-48,52)
【作者】孙炳华
【作者单位】南通大学理学院,南通,226007
【正文语种】中文
【中图分类】TN305.94
【相关文献】
1.基底/功能梯度涂层结构的动态热应力分析及结构优化 [J], 王保林;韩杰才;杜善义
2.考虑热应力的水上结构物结构强度分析 [J], 刘为民
3.CSP键合金丝热应力分析 [J], 谢劲松;钟家骐;杨邦朝;蒋明
4.叠层CSP芯片封装热应力分析与优化 [J], 周喜;李莉
5.CSP芯片热应力分析 [J], 谢劲松;钟家骐;李川;敬兴久
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热循环载荷下PBGA封装体的应变特性研究的开题报告一、研究背景和意义随着电子产品的发展，芯片封装技术也在不断创新。
球格阵列封装（PBGA）是一种广泛应用于大规模集成电路芯片封装的技术。
在实际应用中，PBGA封装是会经历多次温度循环的，这会导致其应变特性的变化。
因此，研究PBGA封装的应变特性对于提高其可靠性有着重要的意义。
本研究将应用实验与数值模拟相结合的方法，对PBGA封装在热循环载荷下的应变变化规律进行深入研究，为提高PBGA封装的可靠性提供理论依据和实验指导。
二、研究内容1. PBGA封装在热循环载荷下的应变变化规律研究通过热循环载荷实验，获取PBGA封装在不同温度条件下的应变变化情况，并分析其变化规律。
2. 数值模拟分析PBGA封装的应变变化规律应用有限元分析软件建立PBGA封装模型，模拟PBGA封装在热循环下的应变变化情况，并与实验结果进行比对。
3. 对PBGA封装进行寿命评估根据实验与数值模拟结果，评估PBGA封装在热循环下的寿命。
三、研究方法和技术路线1. 实验方法选择在不同温度条件下进行热循环实验，通过精密位移测量系统、应变仪等对PBGA封装在循环过程中的应变情况进行测量。
2. 数值模拟方法应用有限元分析软件建立PBGA封装模型，对其热循环载荷下的应变变化情况进行数值模拟。
3. 技术路线（1）PBGA封装样品的制备与实验条件的确定（2） PBGA封装样品的热循环实验和应变测量（3） PBGA封装模型的建立和数值模拟（4）实验与模拟结果的比对和分析（5） PBGA封装的寿命评估四、预期结果通过实验和数值模拟分析，得出PBGA封装在热循环载荷下的应变变化规律，对PBGA封装的寿命进行评估。
为PBGA封装的可靠性研究提供新的思路和方法。
PBGA在高溫下的翹曲分析與測定PBGA 在高溫下的翹曲分析與測定(1)熱膨脹率測定方法 (2)PBGA 翹曲測定法第(1)項採光學跟蹤裝置，第(2)項採雷射掃描(翹曲的絕對值)。
ESPI(Electronics Speckle Pattern Interferometer)法甚費時。
◎試驗材料Table 1. Seven types of specimens For CTE and warpage measurement.(1) BT 原材，35×35MM Æ開孔Æ貼銅箔Æ線路化Æ銲錫mask Æ鍍Ni/Au，以上4種試材測熱膨脹率。
(2) die 粘貼一種。
(3) molding 一種。
(4) PBGA 成品一種。
圖1為456個球腳(中間區的36個球腳主要用來散熱)的PBGA，欲測其側面的翹曲程度。
為不使雷射光反射/亂射，球腳面刷一層薄的白漆。
本BGA 的Die 9×9×0.5mm，BT 厚0.55mm(圖2)。
測定前另外先經過125℃、24小時的烘烤。
Fig 1. A 35X35mm 2 PBGA package Fig 2. A schematic side view of a PBGA (type G specimen) with 456 I/Os. Package (type G specimen).兩種◎熱膨脹率測定爐溫可達250℃，±2.5℃，爬升2℃/秒。
爐大小為200×120×170mm ，帶玻璃窗口，雷射光可射入。
爐緊貼光學測定組的table。
BGA 側立固定著。
Fig 3. A schematic of the experimental Setup up for CTE measurement.爐內的BGA 固定檯座與未接觸。
光線由爐底開孔射入(註：固定BGA 的檯座選熱膨脹率極低的材料)。
湿热环境下复合材料含孔层合板静力拉伸性能及工程估算模型贾宝惠;任鹏;宋挺;卢翔;熊亿杰;杨霄【期刊名称】《高分子材料科学与工程》【年(卷),期】2024(40)2【摘要】湿热环境下的复合材料结构件力学性能预测对其工程应用具有重要意义。
文中针对复合材料层合板静力拉伸性能和强度预测问题,开展6种湿热环境下复合材料含孔层合板的静力拉伸试验,分析其结构失效响应及损伤表征。
基于应力场强法建立湿热环境下复合材料含孔层合板工程估算模型,与有限元渐进损伤模型和试验结果进行对比,分析了湿热环境对含孔层合板力学性能和拉伸失效的影响。
结果表明,工程估算模型预测结果与有限元及试验结果误差范围较小,可用于预测温度和吸湿率对含孔层合板拉伸失效强度的影响;相比于室温干态,75℃吸湿饱和态下试件拉伸失效强度下降了6.1%;25℃干态和75℃吸湿饱和态下含孔层合板0°铺层出现最为严重的纤维拉伸失效,90°铺层出现最为严重的基体拉伸失效,纤维拉伸失效和基体拉伸失效为层合板主要破坏模式;通过扫描电镜对75℃吸湿饱和态下层合板厚度方向微观形貌进行分析,发现试件0°方向纤维与树脂的脱粘程度加重且出现明显的裂痕,90°方向纤维分布较为齐整,但黏附的树脂较少。
【总页数】14页(P101-114)【作者】贾宝惠;任鹏;宋挺;卢翔;熊亿杰;杨霄【作者单位】中国民航大学交通科学与工程学院;中国民航大学航空工程学院【正文语种】中文【中图分类】TB33【相关文献】1.含孔层合板剩余强度估算的应力场强法工程简化模型2.湿热环境下开孔复合材料层合板的强度3.拉伸载荷下含孔复合材料层合板的力学性能及失效机理4.低温条件下含孔碳纤维复合材料层合板拉伸损伤特性研究5.湿热环境下ZT7H/5429复合材料层合板的拉伸性能因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
湿热应力下半导体塑封器件内部界面裂纹分析湿热应力是一种在环境潮湿和高温条件下产生的力学应力，对半导体器件的性能和可靠性都会产生重要影响。
在半导体塑封器件中，湿热应力可能会导致内部界面裂纹的形成和扩展，进而降低器件的性能和可靠性。
湿热应力对半导体塑封器件内部界面的作用机理主要有两个方面：一是潮湿环境会导致塑封材料的吸湿膨胀，形成内部应力；二是高温对塑封材料的热膨胀性能产生影响，引起温度差异产生的热应力。
当这两种应力超过材料的抗拉强度时，就会出现内部界面的裂纹。
对于湿热应力下半导体塑封器件内部界面裂纹的分析，主要需要从以下几个方面进行研究：1.湿热应力对塑封材料性能的影响：首先需要分析湿热环境对塑封材料的吸湿膨胀和热膨胀性能的影响。
通过恒湿热实验和热膨胀系数测试等方法获取相关数据，建立材料模型和性能参数。
这些参数可用于后续强度计算和失效分析。
2.内部界面裂纹形成机理：然后需要研究湿热应力对内部界面裂纹形成的机理。
可以考虑塑封材料的吸湿膨胀和热膨胀过程中的微观变形和能量释放，结合材料的力学性能参数进行分析。
常用的方法有线弹性力学和有限元分析等。
3.内部界面裂纹的扩展和失效分析：接下来需要研究湿热应力下内部界面裂纹的扩展和失效机理。
可以利用线弹性力学的裂纹扩展理论和有限元模拟方法等进行分析，得到裂纹的扩展速率和失效寿命。
同时，也需要考虑湿热应力对裂纹扩展路径和形态的影响。
4.接触电阻、电性能和可靠性的分析：最后需要分析湿热应力对器件性能和可靠性的影响。
可以研究内部界面裂纹对接触电阻的影响以及对电性能的影响。
此外，还需要考虑湿热应力对器件的温度变化和热传导性能的影响，进一步评估器件的可靠性。
总之，湿热应力下半导体塑封器件内部界面裂纹的分析需要从塑封材料性能、界面裂纹形成机理、裂纹扩展和失效机理，以及器件性能和可靠性等方面进行综合研究，以期能够准确评估器件的可靠性，并提出相应的优化方案。
PBGA失效原因及质量提升方法BGA在电子产品中已有广泛的应用，但在实际生产应用中，以PBGA(PLASTIC BALL GRID ARRAY)塑料封装BGA居多。
PBGA最大的缺点是对湿气敏感，如果PBGA吸潮后，在焊接中PBGA极易产生“爆米花”现象，从而导致PBGA失效。
由于BGA返修难度颇大，返修成本高，因此，在SMT制程中，如何提升BGA质量已经越来越受到技术人员及生产工厂的重视。
本文主要针对PBGA失效原因及质量提升方法进行分析，为各类SMT加工厂家提供技术参考。
BGA有不同类型，不同类型的BGA有不同的特点，只有深入了解不同类型BGA的优缺点，才能更好地制定满足BGA制程要求的工艺，才能更好地实现BGA的良好装配，降低BGA的制程成本。
首先，我们来看一下BGA的分类：BGA通常分为三类，每类BGA都有自己独特的特点和优缺点：1、PBGA(PLASTIC BALL GRID ARRAY)塑料封装BGA其优点是：①和环氧树脂电路板热匹配好。
②焊球参与了回流焊接时焊点的形成，对焊球要求宽松。
③贴装时可以通过封装体边缘对中。
④成本低。
⑤电性能好。
其缺点是：对湿气敏感以及焊球面阵的密度比CBGA低2、CBGA(CERAMIC BGA)陶瓷封装BGA其优点是：①封装组件的可靠性高。
②共面性好，焊点形成容易，但焊点不平行度交差。
③对湿气不敏感。
④封装密度高。
其缺点是：①由于热膨胀系数不同，和环氧板的热匹配差，焊点疲劳是主要的失效形式。
②焊球在封装体边缘对准困难。
③封装成本高。
3、TBGA(TAPE BGA)带载BGA其优点是：①尽管在芯片连接中局部存在应力，当总体上同环氧板的热匹配较好。
②贴装是可以通过封装体边缘对准。
③是最为经济的封装形式。
其缺点是：①对湿气敏感。
②对热敏感。
③不同材料的多元回合对可靠性产生不利的影响。
在此我们仅针对PBGA对湿气敏感的缺点，讨论在实际生产过程的相关工艺环节中防止BGA因吸潮而失效的方法。
PBGA焊点形态虚拟和焊点热疲劳寿命预测研究的开题报告题目：PBGA焊点形态虚拟和焊点热疲劳寿命预测研究一、选题的意义和背景现在随着电子产品的普及，不同种类的电路板不断涌现，而PBGA（Plastic Ball Grid Array）是一种常见的电路封装技术，它采用芯片直接焊接在底板上，具有密集、高速、高稳定性等优点，被广泛应用于通信、消费电子、航天等领域。
然而，由于PBGA的小型化和高密度，焊点遇到的热应力很大，长期在高温环境下使用可能导致焊点开裂或剥离，这就需要对PBGA焊点热疲劳寿命进行预测和优化设计。
二、研究内容和方法研究内容主要包括PBGA焊点形态虚拟和焊点热疲劳寿命预测。
在焊接过程中，焊点形态直接影响焊点的质量和寿命，因此需要通过有限元模拟等方法，对焊点形态进行虚拟，优化焊接工艺参数，提高焊点质量。
同时，PBGA焊点在高温环境下会遇到热膨胀和收缩，导致应力的积累和变化，需要通过有限元模拟、热疲劳试验等手段，对焊点的热疲劳寿命进行预测和分析，从而实现优化设计和可靠性评估。
三、预期研究结果和意义预期通过PBGA焊点形态虚拟和焊点热疲劳寿命预测研究，可以提高PBGA焊接质量和可靠性，为电子产品设计和制造提供技术支持。
同时，也可以为相关企业提供有针对性的技术方案，促进其技术创新和市场竞争力的提高。
四、存在的问题和解决方案PBGA焊点热疲劳寿命预测研究中存在以下问题：1）有限元模拟结果的准确性和可靠性需要进一步验证；2）焊点形态虚拟需要考虑不同工艺参数和材料的影响，增加模型的复杂度和难度；3）热疲劳试验需要消耗大量时间和物力。
针对这些问题，可以采取以下解决方案：1）与实际试验结果进行对比和分析，优化模型和参数；2）结合实际焊接工艺和材料特性，建立激光焊接模型；3）开展计算机模拟试验，提高效率和可控性。
总之，本研究旨在通过PBGA焊点形态虚拟和焊点热疲劳寿命预测研究，为电子产品加工和制造领域提供技术支持，实现优化设计和可靠性评估。
芯片尺度封装中焊线的应力分析研究滕建勇;金玮;张奇;桑文斌【期刊名称】《功能材料与器件学报》【年(卷),期】2003(9)2【摘要】芯片尺度封装(CSP)技术是近年来发展最为迅速的微电子封装新技术。
通过对WB-CSP器件中金线(GoldWire)所受应力的有限元模拟,发现金线所受应力与塑封材料的膨胀系数、焊点大小、金线粗细、金线拱起高度等因素有关。
结果表明:由于热失配引起的金线应力最大处位于金线根部位置,SEQVmax=625.202MPa,在通常情况下,这个部位在所承受的应力作用下产生的形变最大,最有可能发生断裂,引起器件的失效。
模拟结果与实际失效情况相一致。
此外,发现:当环氧树脂塑封料热膨胀系数为1.0×10-5/oC时,金线最大等效应力出现最小值,SEQVmax=113.723MPa,约为原来的1/6;随着金线半径减小、焊点增大,金线所受应力也将减小。
模拟结果对于WB-CSP封装设计具有一定的指导意义。
【总页数】6页(P185-190)【关键词】芯片尺寸封装;失效分析;有限元模拟;环氧树脂;应力分析;微电子封装【作者】滕建勇;金玮;张奇;桑文斌【作者单位】上海大学材料科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】TN305.94【相关文献】1.芯片倒装封装中焊球及铜互连对高速差分信号传输特性影响的仿真研究 [J], 孟真;张兴成;刘谋;唐璇;阎跃鹏2.无铅倒装焊封装工艺中的芯片应力及开裂分析 [J], 潘宏明;杨道国;罗海萍;李宇君3.焊线封装工艺实现了更小的芯片尺寸 [J], RalphRaiola4.填充不流动胶的倒装焊封装中芯片的断裂问题 [J], 彩霞;黄卫东;徐步陆;程兆年5.多芯片叠层封装中的芯片应力分析及结构优化 [J], 刘彪;王明湘;林天辉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
复合材料层压结构的热应力分析及优化设计1. 引言复合材料层压结构由多层不同材料层按照一定的顺序压合而成，具有优异的力学性能和轻质化特点，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
然而，在实际使用中，由于温度变化引起的热应力是其结构的重要考虑因素之一。
2. 复合材料的热应力分析复合材料的热应力是指由于温度变化引起的不同层材料之间的应力差异。
通过分析热应力的产生机理，可以对层压结构进行合理的设计和优化。
2.1 热膨胀系数的影响不同材料的热膨胀系数不同，当复合材料在温度变化时，由于热膨胀系数的差异，会出现热应力。
因此，在设计复合材料层压结构时，需要考虑各层材料的热膨胀系数，并根据需求选择合适的材料组合。
2.2 界面的影响复合材料层压结构的界面是热应力产生的主要位置。
由于不同材料的热膨胀系数差异，界面处会产生较大的热应力。
因此，在优化设计中，需要考虑增加界面的强度，减小热应力的产生。
3. 热应力分析方法针对复合材料层压结构的热应力分析，常用的方法有有限元分析法和实验测量法。
3.1 有限元分析法有限元分析法是一种基于计算机模拟的数值分析方法，通过建立模型、施加边界条件和加载温度等信息，计算得出复合材料层压结构的热应力分布情况。
这种方法可以较为准确地预测热应力的分布和大小，并对结构进行优化设计。
3.2 实验测量法实验测量法是通过在实际制作的复合材料层压结构上安装应变测量仪器，测量温度变化时的应变情况，从而计算出热应力的分布情况。
实验测量法的优点是可以直接观测热应力的实际情况，且不依赖于理论模型的建立。
4. 优化设计方法针对复合材料层压结构的热应力问题，可以通过以下方法进行优化设计。
4.1 材料优化根据热膨胀系数的差异，可以选择具有相近热膨胀系数的材料进行组合，以减小热应力的产生。
同时，可以选用高弹性模量的材料来提高复合材料的整体刚度，从而减小热应力。
4.2 结构优化通过优化复合材料层压结构的层数和厚度分布，使各层材料的热应力尽可能均匀分布，减小热应力集中的情况。
PBGA封装的热应力与湿热应力分析比较王栋，马孝松，祝新军(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)摘要：塑封球栅平面阵列封装作为一种微电子封装结构形式得到了广泛的应用。
本文采用有限元软件分析和计算了在潮湿环境下塑封球栅平面阵列封装的潮湿扩散分布，进而分别模拟计算了它的热应力与湿热应力，并且加以分析比较。
关键词：塑封球栅平面阵列封装；有限元；热应力；湿热应力Analysis and Comparison of Thermal Stress andHygrothermal Stress of PBGA PackageWANG Dong, MA Xiao-song, ZHU Xin-jun(Guilin University of Electronic Technology, Guangxi, Guilin 541004, China)Abstract: Plastic ball grid array (PBGA) package has been used widely as a microelectronics packaging structural form. In this paper, the finite element analysis on moisture diffusion in PBGA package during moisture preconditioning by using a FEA software is studied and modeled. Then, thermal stress and hygrothermal stress of PBGA package are simulated and calculated separately, and their performances are analyzed and compared.Keywords: PBGA package; FEM; Thermal stress; Hygrothermal stress在各种微电子封装类型中，目前约占90%以上都采用以高分子材料为基体的复合材料封装。
虽然高分子材料具有适于大规模工业化生产、工艺简单、生产成本低等优点，但因高聚物封装材料固有的有机大分子结构，所以普遍存在随温度升高而产生热应力失效。
另外，高聚物材料的亲水性和多孔性，又使得微电子元器件极易发生由于吸潮而引发的界面层裂破坏及器件整体的失效破坏。
在电子元件的高温焊接过程中，吸潮膨胀产生的潮湿应力再加上焊接的热应力，常引起封装材料发生“爆米花”式的断裂，如图1[1]所示。
BGA(Ball Grid Array)即“球栅阵列”。
它是在基板的下面按阵列方式引出球形引脚，在基板上面装配大规模集成电路(LSI)芯片(有的BGA引脚端与芯片在基板的同一面),是LSI 芯片用的一种表面安装型封装。
它的封装结构形式多种多样，按基板的种类，主要分为PBGA(塑封BGA)、CBGA(陶瓷BGA)、CCGA(陶瓷焊柱阵列)、TBGA(载带BGA)、MBGA(金属BGA)、FCBGA(倒装芯片BGA)和EBGA(带散热器BGA)等。
本文针对PBGA封装器件，运用数值方法，采用有限元软件，计算了潮湿扩散分布，进而分别对器件进行了热应力和湿热应力模拟分析比较。
流程热应力湿热应力图1 回流焊过程中潮湿膨胀引起的封装应力1 有限元模型的构建1.1 建立潮湿扩散模型在封装中建立潮湿应力模型需要了解潮湿扩散，通过潮湿扩散模型来建立潮湿应力模型，但是大多数的有限元软件都没有潮湿扩散模块，因此可以用有限元软件中的热扩散分析来求得潮湿扩散分布。
两者之间的对应关系如表1[2]。
表1 FEA有限元计算参数表特性 热 湿变量 温度T相对湿度W密度 ρ ( kg/cm3) 1传导率 K (W/m·ºC)D*C sat(kg/s·m)比热容 C(J/kg·ºC)C sat( kg/ m3)表1中，假定C sat(饱和湿度)与C(比热容)相当，密度选为1，与传导率K相对的是D(湿度扩散率)与C sat (饱和湿度)的积。
这样，我们就可以用有限元软件来计算潮湿扩散分布了。
对于D和C sat有Arrhenius公式描述[3]：D =D0exp(Q D/RT)(1)C sat=C0 exp(Q C/RT) (2)式中：Q D和Q C是活性能常数；R是Boltzmann常数，一般取为8.63e-5eV/K；T是热力学温度；D0和C0是常系数。
表2FEA有限元计算参数表30ºC/RH60% 60ºC/RH60%材料C sat(g/ mm3)D ( mm2/s)C sat(g/ mm3)D ( mm2/s)BT基板 6.54×10-6 1.51×10-7 1.85×10-5 4.18×10-7硅芯片 1.00×10-6 1.00×10-8 1.00×10-6 1.00×10-8模塑封料7.81×10-6 3.13×10-7 1.34×10-5 1.14×10-6转换文中的数据(表2)[4],带入Arrhenius公式进行计算,得到Arrhenius公式中的常系数(表3)。
表3Arrhenius公式中的参数值材料 Q D(eV/K)D0(mm2/s)QC(eV/K)C0(mm2/s)BT基板 -0.296 0.012 -0.302 673.4 硅芯片 0 1×10-80 1×10-8模塑封料 -0.375 0.533 -0.157 3.127 采用表3的系数值及Arrhenius公式计算出其它温度下的D和C sat (表4)表4FEA有限元计算参数表材料 BT基板硅芯片模塑封料C sat(g/ mm3) 3.84×10-5 1.00×10-6 1.94×10-585℃RH60％D ( mm2/s)8.29×10-7 1.00×10-8 2.85×10-6C sat(g/ mm3) 1.02×10-4 1.00×10-6 3.24×10-5125℃RH60％D ( mm2/s) 2.17×10-6 1.00×10-89.66×10-6C sat(g/ mm3) 5.57×10-4 1.00×10-67.81×10-5220℃RH60％D ( mm2/s) 1.14×10-5 1.00×10-87.92×10-51.2 建立湿热应力模型在封装中知道了潮湿扩散分布和材料的吸湿膨胀特性，可以建立潮湿应力模型，用有限元软件中的热力学来分析潮湿应力模型，建立一个简单的湿热应力分析模型。
表5FEA湿热应力分析参数表特性热湿变量温度T相对湿度W膨胀系数 αβ* C sat 表5[1]中，与热膨胀系数α相对的是β(潮湿膨胀系数)与C sat (饱和湿度)的积。
图2 封装材料不同温度下的CME(β)1.3PBGA结构模型及材料参数的选择选用某种PBGA封装器件，分析对象如图3。
该PBGA器件为有15×15个焊点的正方形，焊球直径是0.76mm,间距是1.5mm，芯片厚0.3mm，边长10mm，EMC厚为1.2mm，边长24mm，BT基板厚1mm，边长为27mm。
图3 器件结构示意图器件结构中材料特性参数具体数值见表6：表6 材料特性参数材料弹性模量E/MPa泊松比ν热膨胀系数CTE/ºCBT基板 2.35×104 0.20 14.6×10-6硅芯片17.0×104 0.28 3.5×10-6模塑封料 2.6×104 0.30 7.0×10-6焊点(37Sn/63Pb)3×104 0.35 21×10-61.4 建立PBGA有限元模型建立PBGA二维有限元模型，采用平面8节点结构单元PLANE82，并且考虑到对称性，有限元计算时选用实际器件的一半来计算，所以限制了各层的单元边长：基板尺寸：13.5mm×1mm；硅芯片：5mm×0.3mm；模塑封料：12mm×1.2mm。
本模型在对称面施加x 方向约束，采用自由网格划分生成有限元网格模型如图4所示。
图4PBGA有限元网格图2 结果分析2.1 潮湿扩散分析由表4数据知，在各温度/相对湿度条件下，经过一定预处理时间后的相对湿度分布如图5(a) (b) (c)所示。
℃ 40h(a)85/RH60%℃ 5h(b)125/RH60%(c)220/RH60%℃ 3h图5PBGA相对湿度分布图计算中，认为焊点不吸潮，芯片的吸潮系数较低。
从图中可以看到，相同的相对湿度下，不同温度对潮湿扩散的影响是很明显的。
85℃下40 h 及125℃下15 h 后的相对湿度大致一样。
同时从图5(a)-(c)各图之间的比较，可以知道，温度越高，越容易使得潮湿的扩散分布呈现不均匀分布，如220℃下芯片正下方的相对湿度分布就不如温度低时的相对湿度分布均匀。
而在焊接前封装器件内部湿度的分布不均是导致焊接时因为潮湿膨胀而引起的应力集中的主要原因[5]。
2.2 热应力与湿热应力分析考虑到器件吸收潮湿，外部环境温度超过100 ℃，水在器件内形态的不确定性，为了避免处理复杂的湿热应力，本文选取外部温度为85℃和外部温度为85℃，RH60%的条件下，保温5min，然后对器件的热应力和湿热应力分别进行了有限元仿真。
(1) 热应力分析：图6是器件外部温度为85℃，保温5min的热应力分布图。
由图6可以看到，在硅芯片四周V on Mises应力值较大，并在硅芯片、模塑封料和基板交界处达到最大值，这是因为硅芯片、模塑封料与基板的交界处热膨胀系数的不匹配，必然导致在硅芯片的附近应力较大。
如果硅芯片和芯片粘接材料间出现裂纹或者粘结力下降，局部应力的集中将使器件处于危险状态。
图7是硅芯片的热应力分布图，由图7可以看到，应力分层现象比较明显，这对硅芯片这样的脆性材料是很有害的，在大的热应力作用下，芯片很可能分层，破裂。
(2) 湿热应力分析：图8是器件外部温度为85℃，RH60%的湿热应力分布图。
由图8可以看到，在硅芯片四周V on Mises湿热应力值较大，并在硅芯片、模塑封料和基板交界处达到最大值。
这是因为在三种材料的交界处湿梯度较大，基板吸湿量最大，而硅芯片被认为不吸潮，在三者的结合点处产生较大的湿应力；同时三种材料的热膨胀系数之间的差异也导致热应力的集中，所以三者的结合点湿热应力是最大的。
