电子封装结构超声显微检测与热疲劳损伤评估.pdf

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1、电子封装结构超声显微检测与热疲劳损伤评估郭祥辉2015年1月中图分类号：O346UDC分类号：621电子封装结构超声显微检测与热疲劳损伤评估作者姓名郭祥辉学院名称机械与车辆学院指导教师徐春广教授答辩委员会主席黄松岭教授申请学位工学博士学科专业机械电子工程论文答辩日期2015年1月14日UltrasonicNondestructiveTestingandThermalFatigueEvaluationofElectronicpackagingCandidateName：XianghuiGuoSchoolo

2、rDepartment:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.ChunguangXuChair,ThesisCommittee：Prof.SonglingHuangDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：MechatronicsEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January14，2015研究成果声明本人郑重声明：所

3、提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要随着21世纪3D封装时代的到来，微电子产品功能多样化及结构小型化，使得电子封装器件的功率密度越来越大、内部结构越来越复杂，热管理问题越加严重

4、。研究表明，微电子产品的失效率随温度的升高呈指数增长，微电子产品的工作温度每升高10℃，其失效率增加一倍；据统计，55%的电子产品失效是由于温度过高引起的，热失效已经成为电子产品的主要失效形式。从物理上看，电子封装结构是电子元器件实现电子电路功能的物理载体，使用过程中由于温度分布不均以及热膨胀系数不匹配，在封装结构内形成热应力场，当热应力大于材料失效临界值时，便导致电子封装内部出现裂纹、分层等缺陷。为提高电子封装结构的可靠性，应及时发现封装结构中的缺陷损伤，并探究这些缺陷在使用过程中的发展和演化规律，在

5、这些缺陷导致灾难性事故之前采取措施，防止或减少损失，这牵涉到对电子封装结构缺陷进行检测以及对其疲劳损伤进行评估。电子封装结构中不同类型的缺陷和不同位置的缺陷，对电子器件性能的影响程度和影响概率是不同的，有必要研究缺陷形态和位置对电子封装结构可靠性的影响。首先，利用超声显微检测方法可以对缺陷的位置、类型、尺寸作出定量的描述。另外，通过电子封装结构的热力学分析与计算可以获得温度场分布，这样可以将缺陷状态与温度场作为已知量，建模计算缺陷附近的应力场分布状态，通过分析不同缺陷对封装结构温度场分布以及缺陷附近热应

6、力大小对于结构强度的影响来定义关键缺陷。然后对关键缺陷进行规范化处理，寻找缺陷类型、位置对电子封装结构可靠性影响规律。本文综合超声显微检测技术、有限元建模仿真以及热疲劳损伤理论，提出了一种基于失效物理的电子封装结构热疲劳损伤评估方法。结合能量型热疲劳模型与非平衡统计疲劳损伤理论，给出了热循环作用下电子封装结构裂纹演化规律。并利用加速寿命试验和超声显微无损检测技术对热疲劳损伤评估结果进行了验证。主要研究内容如下：（1）依据超声显微检测基本原理以及超声扫查成像原理和方法，对超声显微扫查系统开展了研制工作，设

7、计了超声显微扫查系统的硬件框架结构、软件操作界面等。然后利用瑞利准则和斯派罗准则对超声显微系统横向分辨率进行理论分析，以及超声波频率与穿透深度之间的关系进行分析。采用全波数据采集存储技术和频域成像相结合的方法，提高了电子封装结构物理缺陷的检出率和检测分辨率。最后利用该系统检测了几种典型电子封装结构的内部尺寸特征以及缺陷扩展变化。VII北京理工大学博士学位论文（2）基于温度场理论和热应力理论，利用有限元模拟的方法研究了不同缺陷对电子封装结构内部温度场与热应力场的影响。因此，首先利用有限元分析软件ANSYS

8、Workbench建立了电子封装结构的基本模型，模拟了不同热生成率条件下封装结构的温度场，模拟了不同封装材料（不同热传导材料）对温度场分布的影响；然后将温度场结果作为载荷对封装结构进行热应力分析，同时模拟了-65℃-150℃热循环过程中封装结构的热应力变化情况；最后，模拟不同缺陷类型和缺陷大小对封装结构温度场和热应力场的影响。为研究恶劣环境下封装结构的可靠性分析提供一定的参考依据。（3）研究了电子封装结构热疲劳损伤评估方法。首先，利用失效机