2.5D封装的热力挑战

 

本文是篇综述，回顾了学术界、工业界在解决2.5D封装热力问题上的努力。研究内容包含对翘曲应变、BGA疲劳寿命的仿真测试评估，讨论了材料物性、结构参数的影响。

根据JEDEC，封装失效机理可分为三类：1）温度变化导致的热力；2）化学或电化学导致的金属腐蚀或迁移；3）高温下的老化。2.5D封装中，最主要的失效是第一类，因封装尺寸越来越大，各部件材料CTE的不匹配，会引起热变形或翘曲。翘曲不仅会导致焊球的non-wet或桥接，还会导致焊接界面的分层或断裂，当封装焊到PCB后，应力会导致BGA的疲劳失效。

翘曲有三类：

凸、凹、复杂翘曲。

翘曲的影响：

翘曲仿真一般都会做简化和等效，因此通过实验结果来验证仿真的准确性至关重要。

翘曲的测试方法：shadow morie，3DIC，激光反射，条纹投影。前两者应用最广：

文章回顾了过往众多论文里控制翘曲的各种参数分析，包含材料物性、几何结构：

SCM：substrate core material.

RA：Ring adhesive

BGA疲劳寿命

焊点影响可靠性，从一些研究中，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的疲劳失效。

Anand模型经常用来评估SAC合金的非弹性变形。Anand 模型是一个统一的temperature-dependent 粘塑性本构模型，考虑非弹性应变率、微观结构和变形阻力。

疲劳寿命仿真的输入为热循环负载，计算其引起的力学数据如冯米塞斯应力 、拉伸应力，塑性应变，应变能密度，蠕变应变和总应变。根据这些力学数据再结合一些模型就可以计算出寿命，例如Darveaux模型。

Darveaux模型通过计算非弹性应变能密度下的裂纹生长速率、裂纹开始时的次数，结合焊点长度，可得到焊点失效时的循环次数。

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

Thermal cycle的测试方法在JESD22-A104F 

Power cycle的测试方法在JESD22-A122A

不同物性、结构参数下BGA疲劳寿命分析：

总结和展望

尽管对 2.5D 封装的翘曲和 BGA 疲劳寿命进行了诸多研究，但在准确预测封装行为方面仍存在挑战。虽然按照 JEDEC 标准中的测试条件可进行标准化实验测量，但由于缺乏全面的分析方法，仿真存在局限性。这阻碍了准确有效地评估各种参数对 2.5D 封装可靠性的影响，有限的准确性甚至可能导致相同材料和几何因素出现矛盾趋势。这些局限性的原因是多方面的，可归因于材料特性数据库不足、等效模型过于简化、封装组件间复杂的相互作用以及不同假设的理论模型。