学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

多物理场耦合方法分析三种封装模块可靠性

作　者: 万志敏
导　师: 罗小兵
学　校: 华中科技大学
专　业: 工程热物理
关键词: 电子封装可靠性多物理场
分类号: TN05
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 147次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

电子产品广泛的应用于航空航天、国防等领域。电子产品体积越来越小,而功率越来越大,导致电子封装发热量增大,温度过高会影响电子器件性能,甚至导致器件烧毁。同时,由于封装材料热膨胀系数的差异,过高的温度梯度会产生热应力应变,导致断裂及分层。因此,对电子封装可靠性的分析非常重要。电子封装是一个多学科交叉的领域,求解可靠性涉及到多个物理场。本文结合理论研究、数值分析和实验,运用多物理场耦合分析方法对常见的几种电子封装形式进行了可靠性分析。分析了流场,温度场的耦合并将其应用于IGBT(绝缘栅双极晶体管)模块的分析。电场仿真计算得到IGBT芯片最大功耗为131W。将131W作为输入载荷代入流场与温度场耦合分析中,结果表明表面传统散热方式不能满足IGBT热管理要求。因此设计了一种内置于铜基板的微通道,分析表明,当入口水流速为10m/s时,芯片温度维持在100℃左右,表明含微通道基板散热效果良好。研究了温度场和应力场耦合方法并运用此方法对TSV(穿孔硅封装)在温度循环载荷下的可靠性进行分析。研究了TSV焊盘高度和焊球形状对其可靠性的影响,结果表明焊盘高度越小,可靠性越高。当焊球形状为圆柱状时,可靠性较好;随着焊球半径增大,可靠性降低;应力最大点在Si与SiO2交界面处。通过有限元分析确定了各个材料尺寸对最大应力的影响,发现铜柱的高度对最大应力影响最大。在以上分析基础上对尺寸进行优化,最大应力从72.5MPa降低到67.7MPa。在以上分析的基础上讨论了流场、温度场、应力场耦合方法的重要性。结果表明,对于传统方法,当H(对流换热系数)从5W/m2*K增大到10W/m2*K时,PBGA最高温度从165.38℃降低到70.387℃。流场、温度场、应力场耦合方法避免对流换热系数的随意选取,得到的温度场,应力场更为准确。设计实验验证该耦合方法可靠性。结果表明,实验结果和流体-热-应力耦合数值分析结果误差小于10%,证明此方法是可行的。最后将此方法运用于PBGA可靠性分析中,结果表明对流换热系数在每一点是不同的。本文的研究成果对常见电子器件可靠性分析及工艺设计有重要的指导意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-18
  1.1 课题来源  9
  1.2 电子封装简介  9-12
  1.3 电子封装失效模式  12-14
  1.4 国内外电子封装研究方法与现状  14-16
  1.5 本文的主要研究工作  16-18
2 多物理场耦合分析理论及有限元法简介  18-28
  2.1 流体，传热与应力理论  18-25
  2.2 流体-传热耦合理论  25-26
  2.3 传热-应力耦合理论  26-27
  2.4 有限单元法  27
  2.5 本章小结  27-28
3 流体-热耦合分析及其在IGBT 功率电子中的应用  28-35
  3.1 IGBT 模块实验分析  28-29
  3.2 IGBT 模块电路分析  29-31
  3.3 IGBT 热性能分析及微通道设计  31-34
  3.4 本章小结  34-35
4 热-应力耦合及其在TSV 中的应用  35-48
  4.1 TSV 简介  35
  4.2 铜焊盘高度对 TSV 的影响  35-39
  4.3 盲孔深度对TSV 可靠性的影响  39-41
  4.4 焊球形状对TSV 可靠性的影响  41-43
  4.5 TSV 结构优化  43-47
  4.6 本章小结  47-48
5 流体-热-应力耦合方法分析PBGA 热机械可靠性  48-69
  5.1 流体-热-应力耦合方法的意义  48-51
  5.2 流-热-应力耦合方法的实验验证  51-54
  5.3 流体-热-应力耦合方法在PBGA 热可靠性分析中的应用  54-68
  5.4 本章小结  68-69
6 总结与展望  69-71
  6.1 全文总结  69-70
  6.2 今后工作的建议和展望  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-76
附录1 攻读硕士学位期间科研成果  76

多物理场耦合方法分析三种封装模块可靠性

内容摘要

全文目录

相似论文