基于ABAQUS对手机芯片的热应力仿真

占智贵 王玢

摘 要：智能手机芯片发热功率越来越大，芯片的温度越来越高，CSP芯片的热应力开裂成为了一个严重的问题。采用ABAQUS对CSP芯片的热应力进行仿真研究，对比研究了CSP芯片有底充胶和无底充胶下的热应力，再采用不同材料参数的底充胶进行对比研究，为底充胶新型号的研发和合理选用提供理论上的依据。

关键词：智能手机；热应力；ABAQUS；底充胶

随着智能手机发展，芯片的发热功率急剧上升，与此同时，手机外观要求超薄，导致设计上的散热空间极为有限，芯片温度控制难度极大。由于热应力导致CSP芯片晶圆翘曲，严重时会产生开裂现象。

由于手机芯片尺寸较小，在温度循环下的热应力较难通过应变测试方法得到。因此需要采用数值仿真的方法进行研究。为了研究芯片的热应力分布情况，采用ABAQUS建立了芯片的热应力仿真有限元模型，进行了以下研究工作：

1）对比CSP芯片底部填充底充胶和不填充胶，芯片产生的热应力；

2）对比不同参数的底充胶，仿真分析CSP芯片产生的热应力，为底充胶新型号的开发以及合理选用提供理论上的依据。

1 热应力有限元模型建立

1.1 网格划分

有限元法的基本思想是把复杂的结构和形状离散拆分成形状简单的单元，因此网格划分是有限元分析的基础。网格划分必须能够反映结构的形状以及受力特点，满足计算的精度。通常，热应力仿真的单元可以采用平面应变热应力单元CPE4T，在模型的对称位置设置对称边界条件，有限元模型。

1.2 热应力仿真材料的参数设定

芯片底充胶属于粘弹性材料，粘弹性材料属于温度敏感材料，因此，进行热仿真的前提就必须获取底充胶随温度变化的模量曲线和热膨胀系数曲线。

为测试得到模量曲线，可以制作胶膜，再进行DMA测试，进行定频扫温测试，得到材料随着温度变化的模量曲线，测试得到的A和B两种底充胶的模量曲线。

从测试曲线可以发现，底充胶存在玻璃转化温度，在玻璃转化温度附近位置，低于玻璃转化温度时，底充胶呈现玻璃态，模量会显著上升；底充胶A的模量显著高于底充胶B。

从测试结果可以发现，在玻璃转化温度附近，CTE值会急剧变化。底充胶B的玻璃转化温度大于底充胶A的玻璃转化温度，且底充胶B的热膨胀系数小于底充胶A。

综合对比弹性模量和CTE值的结果，发现底充胶A和底充胶B属于具有典型代表的胶水，A属于低模量、高CTE值的产品，而B属于高模量、低CTE值的产品，无法从直观上判断哪种底充胶对芯片产生的热应力更低，因此，需要进行数值仿真，选出热应力更低的底充胶型号。

芯片晶元、芯片焊球、PCB板的材料参数如表1所示：

1.3 温度循环载荷

芯片的底充胶通常在在130度左右进行固化，此时再降温至常温25度，再进行温度循环，温度循环幅度从-55度至125度。进行热应力仿真时，设置初始参考温度为130度。

1.4 仿真应力输出设置

输出芯片晶圆外表面受到的拉应力，用于评估芯片晶圆开裂风险，输出焊球拉应力，用于评估填充底充胶以后，芯片焊球的开裂风险。

2 热应力仿真结果

为分析底充胶的热应力，进行了3个CASE的對比仿真：

CASE1：芯片无底充胶；

CASE2：芯片填充底充胶A；

CASE3：芯片填充底充胶B。

为分析芯片晶圆外表面拉应力上升的原因，对比了CASE1和CASE2的芯片晶圆翘曲量，CASE1翘曲变形量为0.018mm，CASE2翘曲量为0.024mm，由于底充胶热膨胀系数较大，热循环过程中，底充胶膨胀变形加大了芯片晶圆的翘曲量，导致芯片晶圆开裂风险上升。

将CASE2与CASE3进行对比，底充胶A对芯片产生的热应力显著大于底充胶B，这表明相对于底充胶的模量而言，底充胶的热膨胀系数对芯片晶圆的影响更大，热膨胀系数更低的底充胶，对芯片晶圆产生的拉应力更小；观察应力云图，发现芯片晶圆最大应力位置均在靠近角上附近，这点可以较好地解释温度循环试验中，CSP芯片通常在角上附近产生开裂现象。

CASE2和CASE3芯片焊球产生的拉应力均小于CASE1，说明芯片填充底充胶以后，焊球的开裂风险会显著下降，底充胶可以提升焊球可靠性。

为进一步确认底充胶的热膨胀系数对芯片晶圆开裂的影响，增加仿真方案CASE4：假设一种新的底充胶材料C，底充胶C采用底充胶B的DMA模量参数，热膨胀系数为底充胶B的0.8倍。

CASE4的芯片晶圆主拉应力121MPa，CASE3的芯片晶圆主拉应力141MPa，说明进一步降低底充胶B的热膨胀系数，可以进一步改善底充胶填充以后，CSP芯片晶圆产生的热应力。

3 结论

通过采用ABAQUS对CSP芯片进行热应力仿真和研究，得到以下结论：

1）芯片底充胶采用DMA和TMA测试得到的模量和热膨胀系数，可以较好地运用于芯片热应力仿真；

2）CSP芯片填充底充胶以后，芯片晶圆开裂风险会上升，芯片焊球开裂风险降低；

3）相对于底充胶的模量而言，底充胶的热膨胀系数是影响芯片晶圆热应力开裂的更重要因素，开发和选用新型号底充胶产品时时，尽量选用低热膨胀系数的的产品。

参考文献：

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[2] 康雪晶，秦连城.叠层芯片封装元件热应力分析及焊点寿命预测[J].电子元件与材料，2007（05）.

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作者简介：

占智贵（1986-），男，硕士，研究领域为电子产品设计研发。