CSP结构的热应力分析

２００８年￥１１期　中图分类号：ＴＮ３０５．９４　■　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—２５５２｛２００８）１１一ＯＯ４６—０３　

ＣＳＰ结构的热应力分析　

孙炳华　（南通大学理学院，南通２２６００７）　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。　关键词：热建模；ＣＳＰ结构；热应力　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ＣＳＰ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ＳＵＮ　Ｂｉｎｇ．ｈｕａ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎａｎｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｔｏｎｇ　２２６（￣，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＳＰ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｓｔａｔｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｎｓｙｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄ　ｂｙ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍｏ—ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｓｔａｔｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＳＰ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｔｈｉｓ　ｉｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｔｏ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ａ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｔｈｅｒｍｏ－ｐａｃｋａｇｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ（ＩＣ），ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ＩＣ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ＣＳＰ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　

要实现更高密度的封装，几十年来主宰电子封　装技术发展的芯片小　、封装大这一芯片与封装的矛　盾就显得尤为突出。到了２０世纪８Ｏ年代后期开始　发展新技术，将多个不加封装的芯片直接装载在同　一基板上并封装于同一壳体内，由于这种封装减少　了芯片间的引线长度，故可以明显改善信号延迟、降　低高频损耗，而且还可以统一密封，集中冷却，有利　于降低器件温度，提高可靠性。因此，它是一种实现　高密度、微型化较理想的封装技术。但是ＭＣＭ成功　的基础是必须具有质量确实可靠的裸芯片，而对各　种形状、大小以及端子数不同、功能不同的裸芯片进　行实验以及老化筛选是极其困难的，这就导致了　ＭＣＭ成品率低、制造成本高，至今尚未在商品化方　面有大的突破。在这样的背景下，日本于２０世纪　９０年代初研究开发一种接近芯片尺寸的超小型封　装，这种封装被称为ＣＳＰ，ＣＳＰ是在ＢＧＡ基础上发展　起来的接近ＬＳＩ芯片尺寸的新型封装产品，它彻底　解决了芯片与封装之间的矛盾。这种封装结构的产　品具有以下几个特点…：　——４６——　①体积小。ＣＳＰ是目前体积最小的封装，引脚　数相同的ＬＳＩ，ＣＳＰ的面积不到０．５ｍｍ引脚间距ＱＦＰ　的十分之一，只有ＢＧＡ的三分之一到十分之一。　②相同尺寸的ＬＳＩ。ＣＳＰ的引脚最多，ＱＦＰ的引　脚最多３０４根，若增加引脚数，只能减小引脚间距，　ＢＧＡ的引脚数以６００　７００为宜，再多制作和安装难　度增大。　③ＣＳＰ具有优良的电性能。由于ＣＳＰ内部的布　线长度比ＱＦＰ和ＢＧＡ短的多，故寄生效应弱，信号　传输时间短。　④ＣＳＰ的散热性能优良。由于ＣＳＰ大多将芯片　面向下安装，能从芯片背面散热，效率较高。　从芯片与封装基板的结合形式看分为两种，一　种是芯片通过管芯粘接剂同基板相粘接，用金丝通　过引线键合（ｗｉｒｅ　ｂｏｎｄｉｎｇ）的方式把芯片的输入／输　出（ｔ／ｏ）端与基板上的焊凸点相连；另一种是芯片通　

收稿日期：２００８—０４—１４　作者简介：孙炳华（１９６３一），副教授，硕士研究生，研究方向为微电　子封装。　过倒装焊技术（ｆｌｉｐ　ｃｈｉｐ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｒｃ）焊接在基板　上，本文针对第一种结构形式利用ＡＮＳＹＳ８．０软件　对ＣＳＰ芯片热可靠性进行研究。　－　１利用Ａｎｓｙｓ软件对ＣＳＰ结构进行二　

维热应力分析　１．１　Ａｎｓｙｓ软件介绍［２　美国ＡＮＳＹＳ公司是Ｊｏｈｎ　Ｓｗａｎｓｏｎ博士于１９７０　年成立，总部位于美国宾西法尼亚州的匹兹堡。　ＡＮＳＹＳ程序是一个通用设计分析软件，ＡＮＳＹＳ程序　是能够同时分析结构、热、流体、电磁、声学的高级多　物理场藕合分析程序，先进的多物理场藕合分析技　术现今世界首屈一指。各独立物理场的分析功能包　括各种结构的静、动力线性或非线性分析、温度场的　稳态或瞬态分析以及相变、计算流体动力学分析、声　学分析、电磁分析。另外，还提供目标设计优化、拓　扑优化、概率有限元设计、二次开发技术（参数化设　计语言ＡＰＤＬ、用户图形界面设计语言ＵＩＤＬ以及用　户可编程特性ＵＰＦＳ）、子结构、子模型、单元类型、疲　劳断裂计算等先进技术。　ＡＮＳＹＳ有限元分析的主要流程可分为三大步：　建立模型，施加载荷求解及检查结果。　①建立有限元模型　本步骤可能是整个操作过程中用户花费时间最　多的部分，包括定义单元类型、实常数、性质和建立　模型的几何形状、网格划分，为有限元分析进行　准备。　②施加载荷进行求解　有限元分析最主要的目的，在于了解结构系统　组件受载荷后的反应。故定义适当、正确的载荷，然　后进行求解是有限元分析必不可少的一步。　③求解　加载后，便可执行求解（ＳＯＬＶＥ）命令以完成解　题操作。ＡＮＳＹＳ求解的结果内容，包括节点结果与　单元结果，结果的输出可写入输出文件（ｏｕｔｐｕｔ　ｆｉｌｅ），　数据库（ｆｉｌｅ．ａｂ）及结果文件。　④查看结果　求解结束可用ＡＮＳＹＳ后处理器查看求解结果。　可用等值线、矢量图显示模拟结果。　１．２有限元模型的建立　Ａｎｓｙｓ提供了两种分析热应力的方法：直接法和　间接法。直接法是直接采用具有温度和位移自由度　的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析的结　果；间接法则是先进行热分析，然后求得的节点温度　作为体载荷施加到结构应力分析中。本论文采用间　接法求热应力，热应力分析流程如图１所示。　ＣＳＰ结构模型如图２所示，通过环氧树脂把芯　

程卜＿］　前处理过程：　求解过程：　后处理：　１．定义单元类型　１．定义分析类型　ｌ＿显示结构温度　２．建模　２．施加温度载荷　分布　３．输入材料属性　３．定义边界条什　２．显示温度梯度　

４．划分单元格　４．输出控制　分布　

Ｉ　厂—　热一结构耦合过程　Ｉ　Ｉ　前处理过程：　求解过程：　后处理：　１．转换单元类型　１．设置位移约束　１．显示节点位移　２．设置材料属性　２．设置参考温度　２．显示节点应力　３．从热分析中读入　节点温度　

图１热一结构热应力分析流程图　片和ＢＴ（ＢＴ一８３２）基板结合起来，再用模塑树脂包　封。基板尺寸：１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ；环氧树脂尺　寸：８ｍｍ×８ｍｍ×０．０１ｍｍ；芯片尺寸：８ｍｍ×８ｍｍ×　０．３ｍｍ；模塑树脂高０．５ｍｍ。边界条件是自然对流，　对流系数为４０　ｆｍ℃，环境温度为２０℃。　

共晶焊球　环氧树脂ＢＴ树脂（ＢＴ一８３２）　图２　ＣＳＰ结构模型图　根据上述已知条件，可以建立起二维热分析模　型，对所建立起来的二维热模型做五点假设：　①考虑结构的对称性，选取对称面的１／２部分　作为分析对象。　ＱＣＳＰ结构中四层材料被认为是各向同性、均　匀的材料。　③对流换热系数假定为一恒定值，与其他因素　无关。　④整个过程都不考虑热辐射的影响。　⑤忽略布线、焊点的影响。由于只分析四层材　料内部的热分布，不考虑焊球的散热。　在上述五点假设的基础上，考虑到计算量和易　于网格剖分等因素，采用自由网格划分，得到的网格　模型图如图３所示。同时所用材料特性参数如表ｌ　所示。　

图３　ＣＳＰ结构网格模型图　・—－——４７・－・——　表１材料特性参数　材料酱　撩　耄　

１．３利用Ａｎｓｙｓ软件对ＣＳＰ结构进行二维热应力仿真　仿真后得到温度场、合位移、等效热应力分布图　见图４—６。　

Ｓ疆犍Ｏ。器　锄ｃ　ｌｌ０１．静ｉ　

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蠲．蛄　尊．１器　勰。，昭　竹．Ｓ　筠。ｌ骚　掬．湖　罄．翁Ｓ骆。ｌ　８＇１．Ｉ１１１　１０５。艚３　

图４　ＣＳＰ结构温度场分布　ｍⅨ－．捌ｌ啡Ｉｚ　硼・．删　蛊口ｃ・。∞；‘幢　

．棚ｌ∞　．荫∞ｓｓ　．∞∞Ｉ　。∞‘ｌ咕　．鼍．ｓＩ３　．０Ｉｌ５　．∞Ｚｉ罅　．罅，Ｉ昭　．口州脯　．∞　淞　

埘　・．ＯＤｓ‘．２　Ｓ稿『・　尊，＇‘工　髓ⅨＩ．９锄ｌ帕＇　

图５　ＣＳＰ结构的合位移等值线图　

．∞＊１　．２∞ｌ坝　．１ｌＩＩ．ｏ＇　．姗棚　．辩；ｌ●盼　．１ｏｔｌ研　．３ｌ３ｌＩ。　．　ａ蛳　．，３ｌ１．＂　．螂●　

图６　ＣＳＰ结构的等效应力图　

＿＿＿——４８・－－——　

２仿真结果分析　从仿真结果可以看出最大应力不在芯片上，而　在模塑材料上与芯片相交的那个界面拐角处，即图　中标有ＭＸ的位置。这是由于粘接层相对比较厚引　起的，粘接层的厚度对界面应力的影响是不可忽略。　因为它的材料性能与芯片的材料性能相差很多，如　果粘接层比较薄，界面间的过渡越突然，基板和粘接　层间的相互作用越强，应力就越大，就会产生分层现　象，所以在电子封装设计中，选择合适的粘接层厚度　可以有效地抑制结构的脱层破坏。对于芯片来说，　应力最大的位置在尖角处。现在可以从理论上求得　模塑材料热应力分布的解析解Ｌ４Ｊ。　为了简化计算，将芯片的尖角等效为一直角楔　形体，并假设周围的封装塑料无限大，作用封装材料　与芯片界面的正应力为Ｐ。，０≤ｒ≤ａ，口表示芯片　的长度。如图７所示。　

ｆ＋　Ｏｒ，ｏ：０　｛　一　。　（１）　　＋　：０【——　＋　＋　ｕ　

ｅ，＝面１（　，一　）　

ｅ　＝　１（　一　，

）　（２）　

ｅ　：　ｒ　几何方程为：　Ｏｕ　一ａｒ　

１　ａｕ　Ⅱ，　口　＋了　

１　Ｏｕ，　Ｏｕｏ　，　＋　一　

（３）　

（下转第５２页）