基于ABAQUS對手機芯片的熱應力仿真

占智貴 王玢

摘 要：智能手機芯片發熱功率越來越大，芯片的溫度越來越高，CSP芯片的熱應力開裂成為了一個嚴重的問題。采用ABAQUS對CSP芯片的熱應力進行仿真研究，對比研究了CSP芯片有底充膠和無底充膠下的熱應力，再采用不同材料參數的底充膠進行對比研究，為底充膠新型號的研發和合理選用提供理論上的依據。

關鍵詞：智能手機；熱應力；ABAQUS；底充膠

隨著智能手機發展，芯片的發熱功率急劇上升，與此同時，手機外觀要求超薄，導致設計上的散熱空間極為有限，芯片溫度控制難度極大。由于熱應力導致CSP芯片晶圓翹曲，嚴重時會產生開裂現象。

由于手機芯片尺寸較小，在溫度循環下的熱應力較難通過應變測試方法得到。因此需要采用數值仿真的方法進行研究。為了研究芯片的熱應力分布情況，采用ABAQUS建立了芯片的熱應力仿真有限元模型，進行了以下研究工作：

1）對比CSP芯片底部填充底充膠和不填充膠，芯片產生的熱應力；

2）對比不同參數的底充膠，仿真分析CSP芯片產生的熱應力，為底充膠新型號的開發以及合理選用提供理論上的依據。

1 熱應力有限元模型建立

1.1 網格劃分

有限元法的基本思想是把復雜的結構和形狀離散拆分成形狀簡單的單元，因此網格劃分是有限元分析的基礎。網格劃分必須能夠反映結構的形狀以及受力特點，滿足計算的精度。通常，熱應力仿真的單元可以采用平面應變熱應力單元CPE4T，在模型的對稱位置設置對稱邊界條件，有限元模型。

1.2 熱應力仿真材料的參數設定

芯片底充膠屬于粘彈性材料，粘彈性材料屬于溫度敏感材料，因此，進行熱仿真的前提就必須獲取底充膠隨溫度變化的模量曲線和熱膨脹系數曲線。

為測試得到模量曲線，可以制作膠膜，再進行DMA測試，進行定頻掃溫測試，得到材料隨著溫度變化的模量曲線，測試得到的A和B兩種底充膠的模量曲線。

從測試曲線可以發現，底充膠存在玻璃轉化溫度，在玻璃轉化溫度附近位置，低于玻璃轉化溫度時，底充膠呈現玻璃態，模量會顯著上升；底充膠A的模量顯著高于底充膠B。

從測試結果可以發現，在玻璃轉化溫度附近，CTE值會急劇變化。底充膠B的玻璃轉化溫度大于底充膠A的玻璃轉化溫度，且底充膠B的熱膨脹系數小于底充膠A。

綜合對比彈性模量和CTE值的結果，發現底充膠A和底充膠B屬于具有典型代表的膠水，A屬于低模量、高CTE值的產品，而B屬于高模量、低CTE值的產品，無法從直觀上判斷哪種底充膠對芯片產生的熱應力更低，因此，需要進行數值仿真，選出熱應力更低的底充膠型號。

芯片晶元、芯片焊球、PCB板的材料參數如表1所示：

1.3 溫度循環載荷

芯片的底充膠通常在在130度左右進行固化，此時再降溫至常溫25度，再進行溫度循環，溫度循環幅度從-55度至125度。進行熱應力仿真時，設置初始參考溫度為130度。

1.4 仿真應力輸出設置

輸出芯片晶圓外表面受到的拉應力，用于評估芯片晶圓開裂風險，輸出焊球拉應力，用于評估填充底充膠以后，芯片焊球的開裂風險。

2 熱應力仿真結果

為分析底充膠的熱應力，進行了3個CASE的對比仿真：

CASE1：芯片無底充膠；

CASE2：芯片填充底充膠A；

CASE3：芯片填充底充膠B。

為分析芯片晶圓外表面拉應力上升的原因，對比了CASE1和CASE2的芯片晶圓翹曲量，CASE1翹曲變形量為0.018mm，CASE2翹曲量為0.024mm，由于底充膠熱膨脹系數較大，熱循環過程中，底充膠膨脹變形加大了芯片晶圓的翹曲量，導致芯片晶圓開裂風險上升。

將CASE2與CASE3進行對比，底充膠A對芯片產生的熱應力顯著大于底充膠B，這表明相對于底充膠的模量而言，底充膠的熱膨脹系數對芯片晶圓的影響更大，熱膨脹系數更低的底充膠，對芯片晶圓產生的拉應力更小；觀察應力云圖，發現芯片晶圓最大應力位置均在靠近角上附近，這點可以較好地解釋溫度循環試驗中，CSP芯片通常在角上附近產生開裂現象。

CASE2和CASE3芯片焊球產生的拉應力均小于CASE1，說明芯片填充底充膠以后，焊球的開裂風險會顯著下降，底充膠可以提升焊球可靠性。

為進一步確認底充膠的熱膨脹系數對芯片晶圓開裂的影響，增加仿真方案CASE4：假設一種新的底充膠材料C，底充膠C采用底充膠B的DMA模量參數，熱膨脹系數為底充膠B的0.8倍。

CASE4的芯片晶圓主拉應力121MPa，CASE3的芯片晶圓主拉應力141MPa，說明進一步降低底充膠B的熱膨脹系數，可以進一步改善底充膠填充以后，CSP芯片晶圓產生的熱應力。

3 結論

通過采用ABAQUS對CSP芯片進行熱應力仿真和研究，得到以下結論：

1）芯片底充膠采用DMA和TMA測試得到的模量和熱膨脹系數，可以較好地運用于芯片熱應力仿真；

2）CSP芯片填充底充膠以后，芯片晶圓開裂風險會上升，芯片焊球開裂風險降低；

3）相對于底充膠的模量而言，底充膠的熱膨脹系數是影響芯片晶圓熱應力開裂的更重要因素，開發和選用新型號底充膠產品時時，盡量選用低熱膨脹系數的的產品。

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作者簡介：

占智貴（1986-），男，碩士，研究領域為電子產品設計研發。