大功率LED及圆片级封装产品可靠性研究

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电子产品封装可靠性是限制其大规模市场化应用的一个重要因素,本文以电子产品可靠性作为研究对象,研究了大功率LED以及圆片级封装产品的可靠性。大功率LED由于具有光效高、寿命长、低功耗等优势,成为下一代通用照明光源的有力竞争者。圆片级封装产品由于具有生产效率高、成本低等优势也日益引起人们的关注。但由于实际使用环境的复杂多变,二者所面临的可靠性问题层出不穷,研究二者可靠性问题具有重要的经济效益。本文基于有限元分析技术,主要研究内容如下:(1)研究了三角形弧形及梯形弧形金线在热冲击载荷下的可靠性,发现梯形弧形金线具有较高的可靠性。采用铜环固定硅胶透镜的方式限制硅胶变形从而降低了金线二焊处应力,并结合光学模拟技术获得了优化的铜环高度。(2)介绍了大功率LED失效分析常用的方法,采用失效分析方法分析热冲击失效样品,发现LED失效是由于硅胶和基板之间存在脱层现象,脱层发生后,硅胶收缩和膨胀产生的拉应力直接作用在金线上,造成金线受到过大拉力而发生延性断裂。(3)研究了扇入型及扇出型圆片级封装产品的热机械可靠性,以焊球疲劳寿命作为评价指标,发现保护膜对焊球的可靠性有重要的影响,当保护膜的杨氏模量为4GPa、热膨胀系数为40ppm时焊球具有较高的疲劳寿命。并研究了扇入型圆片级封装产品的可靠性,发现薄的芯片和PCB板、小的芯片、小的焊球直径对提高焊球的可靠性有重要意义,而且还发现离芯片中心最远处的焊球可靠性最低,因此提出了一种涂保护胶保护最外围焊球的方法,并发现高杨氏模量、低热膨胀系数的保护胶有利于提高焊球的可靠性。研究了扇出型圆片级封装产品的热机械可靠性,发现芯片外围正下方的焊球可靠性最低,据此提出了部分阵列式焊球排布以及外围阵列焊球排布,并研究了全阵列、部分阵列以及外围阵列焊球排布时焊球的可靠性,综合考虑焊球的可靠性以及产品I/O数,推荐采用部分阵列式焊球排布。(4)研究了扇出型圆片级封装产品板卡级跌落可靠性,对传统的跌落模拟方式进行了改进,得出了一种将位移作为载荷的板卡级跌落的模拟方法,采用此方法研究了圆片级封装产品的跌落可靠性,对简化模型的可行性进行了验证,发现这种简化方式对于研究产品跌落可靠性影响不大,研究还发现离芯片中心最远处焊球跌落可靠性最差,在跌落过程中Z方向的剥离应力对焊球的损害最大,据此提出了采用保护胶保护离中心最远处焊球的方法,并研究了保护胶对外围焊球热机械可靠性的影响,发现具有较大弹性模量、较小热膨胀系数的保护胶对外围焊球的热机械可靠性的影响可以忽略不计。
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