热循环载荷下POP堆叠焊点应力分析与优化

建立叠层封装(packaging on packaging,POP)堆叠焊点有限元模型,基于ANAND本构方程,分析了热循环载荷下焊点应力分布状态及热疲劳寿命;基于灵敏度法分析了POP封装结构参数对焊点热应力的影响显著性;基于响应面法建立POP堆叠焊点热应力与结构参数的回归方程,并结合粒子群算法对结构参数进行了优化.结果表明,焊点与铜焊盘接触处应力最大,该处会率先产生裂纹,上层焊点高度和下层焊点高度对POP堆叠焊点热应力影响较为显著;最优结构参数水平组合为上层焊点高度0.35 mm、下层焊点高度0.28 mm、中层印刷电路板厚度0.26 mm,优化后上、下两层焊点的最大热应力分别下降了0.816和1.271 MPa,延长了POP堆叠焊点热疲劳寿命.     

3D-TSV互连结构随机振动加载应力分析

建立了三维硅通孔 (three-dimension through silicon via,3D-TSV )互连结构有限元分析模型,对该模型进行了随机振动加载有限元分析. 选取TSV高度、TSV直径、微凸点高度和微凸点直径四个结构参数作为关键因素,采用水平正交表L₁₆(45)设计了16种不同结构参数的3D-TSV互连结构,获取了这16种3D-TSV互连结构随机振动应力数据并进行了方差分析. 结果表明,在置信度为99%的情况下,TSV高度对3D-TSV互连结构随机振动应力有显著影响,因素显著性的排序由大到小为TSV高度最大,其次为TSV直径,再次为微凸点直径,最后是微凸点高度;单因子变量分析表明,TSV互连结构应力应变随TSV高度的增加而增大.     

基于正交设计和灰色关联的硅通孔互连结构随机振动优化设计

建立了硅通孔（TSV,through silicon vias）互连结构三维有限元分析模型,对该模型进行了随机振动分析.以TSV互连结构的最大等效应力、最大等效应变、一阶固有频率、二阶固有频率为目标函数,选取TSV高度、TSV直径、微凸点高度和微凸点直径四个结构参数为设计变量进行多目标正交优化设计,结合灰色关联分析法获得了优化设计的最优参数组合,使TSV互连结构的最大等效应力降低4.59%,最大等效应变降低22.56%,并且一阶固有频率增加了4.91%,二阶固有频率增加了4.46%.研究表明,可以将正交试验法与灰色关联分析法相结合应用于TSV互连结构优化设计,对提高TSV互连结构在随机振动条件下的综合性能具有较高的实用性.     

热循环加载条件下PBGA叠层无铅焊点可靠性分析

建立了塑料球栅阵列(plastic ball grid array,PBGA)器件叠层焊点应力应变有限元分析模型,基于该模型对叠层无铅焊点在热循环载荷条件下的应力应变分布进行了分析,计算其热疲劳寿命,分析焊点材料、焊点高度和焊点最大径向尺寸对叠层焊点热疲劳寿命的影响.结果表明,与单层焊点相比,焊点叠加方式能有效提高焊点热疲劳寿命;采用有铅焊料Sn62Pb36Ag2和Sn63Pb37的叠层焊点比采用无铅焊料Sn-3.5Ag和SAC305的叠层焊点热疲劳寿命高;叠层焊点的高度由0.50 mm增加到0.80 mm时,焊点的热疲劳寿命随其高度的增加而增加;叠层焊点的最大径向尺寸由0.30 mm增加到0.45 mm时,焊点的热疲劳寿命随焊点的最大径向尺寸增加而减小.     

三维封装铜柱应力及结构优化分析

文中利用有限元模拟软件ANSYS对三维立体封装芯片发热过程中整体应力及局部铜柱的应力情况进行了分析,并对三维封装的结构进行了优化设计.结果表明,最大应力分布在铜柱层,铜柱的应力最大点出现在铜柱外侧拐角与底部接触位置.以铜柱处最大应力作为响应,进行了结构参数优化,采用三因素三水平正交试验方法,分别使用铜柱直径、铜柱高度、铜柱间距三个影响因素作为变化的结构参数.结果表明,铜柱直径的变化对等效应力影响最大,铜柱间距次之,铜柱高度影响最小.且发现随着铜柱高度、铜柱间距、铜柱直径的不断增大其铜柱外侧拐角与底部接触位置的最大等效应力不断减小.     

BELT装置硬质合金顶锤的结构优化

采用有限元耦合分析方法,对BELT装置硬质合金顶锤进行了应力分析,并深入分析了主要结构参数(半锥角、预应力圈高度、底面直径)对最大主应力的影响.通过对结构参数的最佳值进行探讨,提出了一种新型的顶锤结构.     

铁液脱硫搅拌器的热-结构耦合分析与优化

针对某炼铁厂脱硫搅拌器服役寿命短和设计周期长等问题,从降低耐火材料最大应力值和提高寿命的角度出发,采用正交试验法进行结构优化。基于有限元软件对正交试验设计的方案进行热-结构耦合应力场分析,得到各组方案下搅拌器耐火材料的最大应力值,通过极差分析获得了最优的参数组合及各个参数不同水平对最大应力值的影响程度,顺序从大到小为:迎铁面偏移角、叶片过渡圆弧半径、背铁面偏移角、叶片直径、叶片端面倾角。结果表明,优化后的搅拌器耐火材料最大应力值由优化前的56.22 MPa减小为35.66 MPa。正交试验法能为提高搅拌器寿命和优化设计提供理论指导。     

叠层母线冲裁机理及冲裁特性研究

选取10层母线的上、中、下层微单元进行应力应变分析,并对各层母线在不同间隙下冲裁后的孔径尺寸、孔周边塌陷高度、毛刺进行对比分析。研究表明,叠层母线在冲裁初期,试件与单层母线冲裁变形情况相同,而在冲裁中后期,试件的裂纹扩展由软质凸、凹模刃口相交实现,并且各层母线的裂纹不能继续扩展到下一层;靠近最上层与最下层母线的冲孔直径与凸模直径相差小,孔径周边塌陷高度不明显、毛刺小,而中间层的母线冲裁质量较差;在冲裁中可以通过适当减小模具间隙和施加压边力来提高试件的冲裁质量。     

基于正交设计的WLCSP柔性无铅焊点随机激励应力应变分析

对晶圆级芯片尺寸封装(wafer level chip scale package, WLCSP)柔性无铅焊点进行了随机振动应力应变有限元分析. 以1号柔性层厚度、2号柔性层厚度、上焊盘直径和下焊盘直径四个结构参数作为关键因素,采用正交表设计了16种不同结构参数组合的柔性焊点,获取了16组应力数据并进行了方差分析. 结果表明:焊点内最大应力应变随1号柔性层厚度和2号柔性层厚度的增加而减小;在置信度99%时,下焊盘直径和上焊盘直径对应力具有高度显著影响,在置信度95%时1号柔性层厚度和2号柔性层厚度对应力具有显著影响;各因素对应力影响排序为:下焊盘直径影响最大,其次是上焊盘直径,再次是1号柔性层厚度,最后是2号柔性层厚度.     

基于田口法的高密度倒装微铜柱凸点热失效分析

采用有限元模拟法,分析在热循环载荷条件下高密度倒装芯片封装微铜柱凸点的失效行为,并以微铜柱凸点的最大累积塑性应变能密度作为响应,采用3因素3水平的田口正交试验法分析倒装芯片封装的主要结构参数和材料属性对其热失效行为的影响.结果表明,距离封装中心最远处的微铜柱凸点是封装体中的关键微凸点,热疲劳导致的裂纹易在该微铜柱凸点的基板侧焊料外侧形成.底部填充胶的线膨胀系数对微铜柱凸点热失效的影响最大,影响适中的是底部填充胶的弹性模量,最弱的是芯片厚度.     

窄节距焊料凸点成形及焊盘尺寸对抗剪强度和微观组织的影响

通过优化模板印刷工艺实现了窄节距无铅焊料凸点成形,并观察了凸点形貌、高度以及评估成形的焊料凸点性能. 利用拉力剪切力试验机对凸点进行剪切力测试,研究焊盘尺寸对凸点抗剪强度的影响,同时观察了断口形貌,最后对凸点内部及界面处的金属间化合物(intermetallic compound,IMC)进行了观察. 结果表明,小尺寸焊盘的凸点较高、均匀性较好,抗剪强度表现出随焊盘尺寸减小而减小的尺寸效应,并从剪切受力和IMC分析尺寸效应的成因. 其中大尺寸焊盘的凸点界面IMC形貌为扇贝状,而小尺寸焊盘的界面IMC为针状,容易导致应力集中而降低抗剪强度.     

热循环条件下高密度倒装微铜柱凸点失效行为分析

基于圣维南原理,采用全局模型和子模型相结合的建模方针,建立倒装芯片封装的有限元模型.分析热循环条件下微铜柱凸点的应力及应变分布,研究高密度倒装芯片封装微铜柱凸点的失效机理,对关键微铜柱凸点的裂纹生长行为进行分析.结果表明,距芯片中心最远处的微铜柱凸点具有最大的变形与应力,为封装体中的关键微铜柱凸点;累积塑性应变能密度主要分布在关键微铜柱凸点的基板侧,在其外侧位置最大,向内侧逐渐减小,这表明裂纹萌生在基板侧微铜柱凸点外侧,向内侧扩展,试验结果与模拟结果相一致.     

Fabrication of electroplate Sn-Ag bumps without a lithography process for 3D packaging

A new process of electroplate Sn-Ag bumping without a patterned photo resist (PR) mould on a Si chip for 3-dimensional packaging was investigated. The electroplating characteristics of the Sn-Ag electrolyte and the bump growth were examined. The substrate was a Si die with a thickness of 70 ??m in which the through-Si-vias (TSVs) were plugged with Cu. The Sn-Ag bumps were electroplated on the Cu-plugged vias of the Si-chip with an increasing DC current density and plating time. The experimental results of the polarization curve showed that Sn-Ag had two reduction potentials, namely, a Ag reduction starting potential of ?0.387 V and a Sn and Ag co-reduction potential of ?0.474 V. The Sn-Ag bumps were fabricated successfully without serious defects by electroplating without a PR mould. The bump height and width increased to 14.5 and 72.0 ??m, respectively, when the plating time was raised to 15 min. The growth of the bump width was caused by the absence of the PR mould. The Sn-Ag bump exhibited rivet-head morphology in 15 min plating, and no short circuit between neighboring bumps was found. The near eutectic composition of Sn-3.24 wt%Ag bump was obtained by plating at ?30 mA/cm² for 15 min.     

New process of electroplate Sn bumping on TSV without a PR mould for 3D-chip stacking

A new method of fabricating Sn bumps by electroplating without a PR (photoresist) mould on a Si die was investigated in terms of the bump growth and morphology for application to 3D-chip stacking. The omission of the PR mould was expected to result in a reduction of the process time and of the cost of electroplate bumping on the Si chip. For the electroplating of Sn bumps, a cathode consisting of a Si die with a Cuplugged TSV (through-silicon via) was used, with Sn or Pt adopted as an anode. The current densities and plating times were varied to assess the change in the Sn bump size and morphology. As a result, Sn bumps with rivet-head shapes were successfully fabricated via electroplating on Cu-plugged TSV without a PR mould. The height and width of the Sn bump were increased at a longer plating time and a larger current density. The Sn or Pt anode had a minimal effect on the electroplating results: The deposition rates and morphologies of the Sn bumps with different anodes were nearly identical in the range from 15 to 60 min at −30 mA/cm². The Sn deposit without a PR mould developed a facet with various directions less than 5 min of plating time. After 15 min, however, the selective growth of some facets became dominant, which enlarged the preferred facets and caused a decrease in the number of facets.     

注射模的热-结构耦合数值仿真

以注射模为研究对象,运用传热学基本理论和计算机数值仿真技术,在考虑注射模结构尺寸、载荷和接触等因素的基础上,运用ANSYS软件进行了注射模的热-结构耦合数值仿真计算,分析了模具内部的温度场以及热应力场的分布特征,研究了热-结构耦合对模具结构强度的影响,为设计良好的冷却系统提供参考,并为校核模具强度提供全面的分析方法。     

斜十字接头三维焊接残余应力的数值模拟

为研究全熔透焊接十字接头残余应力空间分布特点,分析十字接头焊缝形式对焊接残余应力分布状态的影响,基于温度场和应力场间接耦合方式,对全熔透焊接十字接头残余应力开展了有限元数值模拟研究. 采用ANSYS有限元软件,选择Q345C钢材典型热力学参数,构建全熔透焊接十字接头有限元模型,分析得到焊接过程结构温度场分布. 将焊接十字接头温度场作为输入条件,基于ANSYS热–力耦合分析得到全熔透焊接斜十字接头三维残余应力场分布. 结果表明,全熔透焊接十字接头残余应力峰值主要分布在焊趾和焊根处,焊缝角度变化会对焊缝处残余应力分布带来较大影响.     

基于ANSYS Workbench的数控车床主轴系统热-结构耦合分析

在有限元法与热应力学分析基础上,建立数控车床主轴系统的有限元模型,计算主轴系统热特性分析的边界条件.利用有限元分析软件ANSYS Workbench对主轴系统进行热-结构耦合分析,得到主轴系统的温度场分布和热变形,通过实验验证模型的正确性.同时计算不同主轴转速对主轴系统温升及热变形的影响,分析结果为主轴系统的优化设计及误差补偿提供了一定的依据.