本文是篇綜述，回顧了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界在解決2.5D封裝熱力問(wèn)題上的努力。研究?jī)?nèi)容包含對(duì)翹曲應(yīng)變、BGA疲勞壽命的仿真測(cè)試評(píng)估，討論了材料物性、結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。

根據(jù)JEDEC，封裝失效機(jī)理可分為三類：1）溫度變化導(dǎo)致的熱力；2）化學(xué)或電化學(xué)導(dǎo)致的金屬腐蝕或遷移；3）高溫下的老化。2.5D封裝中，最主要的失效是第一類，因封裝尺寸越來(lái)越大，各部件材料CTE的不匹配，會(huì)引起熱變形或翹曲。翹曲不僅會(huì)導(dǎo)致焊球的non-wet或橋接，還會(huì)導(dǎo)致焊接界面的分層或斷裂，當(dāng)封裝焊到PCB后，應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致BGA的疲勞失效。

翹曲有三類：

凸、凹、復(fù)雜翹曲。

翹曲的影響：

翹曲仿真一般都會(huì)做簡(jiǎn)化和等效，因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

翹曲的測(cè)試方法：shadow morie，3DIC，激光反射，條紋投影。前兩者應(yīng)用最廣：

文章回顧了過(guò)往眾多論文里控制翹曲的各種參數(shù)分析，包含材料物性、幾何結(jié)構(gòu)：

SCM：substrate core material.

RA：Ring adhesive

BGA疲勞壽命

焊點(diǎn)影響可靠性，從一些研究中，BGA相比C4或ubump的失效余量更小。本文主要分析thermal cycle和power cycle下BGA的疲勞失效。

Anand模型經(jīng)常用來(lái)評(píng)估SAC合金的非彈性變形。Anand 模型是一個(gè)統(tǒng)一的temperature-dependent 粘塑性本構(gòu)模型，考慮非彈性應(yīng)變率、微觀結(jié)構(gòu)和變形阻力。

疲勞壽命仿真的輸入為熱循環(huán)負(fù)載，計(jì)算其引起的力學(xué)數(shù)據(jù)如馮米塞斯應(yīng)力 、拉伸應(yīng)力，塑性應(yīng)變，應(yīng)變能密度，蠕變應(yīng)變和總應(yīng)變。根據(jù)這些力學(xué)數(shù)據(jù)再結(jié)合一些模型就可以計(jì)算出壽命，例如Darveaux模型。

Darveaux模型通過(guò)計(jì)算非彈性應(yīng)變能密度下的裂紋生長(zhǎng)速率、裂紋開(kāi)始時(shí)的次數(shù)，結(jié)合焊點(diǎn)長(zhǎng)度，可得到焊點(diǎn)失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)。

除了Darveaux模型，還有Syed模型、Coffin-Manson模型、Engelmaier–Wild模型等。

Thermal cycle的測(cè)試方法在JESD22-A104F

Power cycle的測(cè)試方法在JESD22-A122A

不同物性、結(jié)構(gòu)參數(shù)下BGA疲勞壽命分析：

總結(jié)和展望

盡管對(duì) 2.5D 封裝的翹曲和 BGA 疲勞壽命進(jìn)行了諸多研究，但在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)封裝行為方面仍存在挑戰(zhàn)。雖然按照 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試條件可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)測(cè)量，但由于缺乏全面的分析方法，仿真存在局限性。這阻礙了準(zhǔn)確有效地評(píng)估各種參數(shù)對(duì) 2.5D 封裝可靠性的影響，有限的準(zhǔn)確性甚至可能導(dǎo)致相同材料和幾何因素出現(xiàn)矛盾趨勢(shì)。這些局限性的原因是多方面的，可歸因于材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)不足、等效模型過(guò)于簡(jiǎn)化、封裝組件間復(fù)雜的相互作用以及不同假設(shè)的理論模型。