[发明专利]一种无铅元器件互连焊点热电耦合仿真方法

说明书

本发明涉及一种无铅元器件互连焊点热电耦合仿真方法，包含以下步骤：步骤一：无铅元器件互连焊点热电耦合失效机理分析；步骤二：原子迁移空洞预测算法研究；步骤三：封装总体模型建立；步骤四：互连焊点结构仿真建模；步骤五：热电耦合仿真分析；步骤六：原子迁移空洞位置预测。本发明基于原子迁移的基本理论，综合考虑了电迁移、热迁移和由热应力梯度产生的应力迁移三种驱动机制，得到原子迁移空洞预测数值算法。在此基础上，以ANSYS参数化设计语言和Matlab程序为载体，形成无铅元器件互连焊点原子迁移空洞预测有限元分析方法，对互连焊点在热电耦合条件下的空洞失效进行仿真研究。此方法属于无铅元器件互连焊点热电耦合可靠性仿真技术领域。

(一)技术领域：

本发明涉及一种无铅元器件互连焊点热电耦合仿真方法，它基于无铅元器件互连焊点在热电耦合条件下的失效模式和失效机理，根据原子迁移的基本理论，综合考虑了电迁移、热迁移和由热应力梯度产生的应力迁移三种驱动机制，得到原子迁移空洞预测数值算法。在此基础上，以ANSYS参数化设计语言和Matlab程序为载体，形成无铅元器件互连焊点原子迁移空洞预测有限元分析方法，对无铅元器件互连焊点在热电耦合条件下的空洞失效进行仿真研究，给出无铅焊点原子迁移空洞失效预测结果。此方法属于无铅元器件互连焊点热电耦合可靠性仿真技术领域。

(二)背景技术：

随着电子产品朝向高密度化、微型化、多功能化方向发展，集成电路中元器件的数目大幅增加，互连焊点尺寸急剧减小，通过焊点中的电流密度持续增高。在电子元器件的使用过程中，互连焊点是提供机械连接、电气导通、信号传递的主要途径，焊点的失效某种意义上直接导致了电子元器件的失效。在实际服役过程中，电子产品的互连焊点往往伴随着交替的热、电载荷共同作用，热电载荷的交互作用对无铅焊点的影响复杂，单一热载荷/电载荷作用不能完全表示影响焊点的实际失效过程。因此研究热电耦合条件下无铅元器件互连焊点的可靠性对提高无铅元器件整体的使用可靠性具有重要的实际意义。在过去的几十年中，价格低廉、力学性能良好的SnPb焊料曾是电子产品的首选钎焊材料，但由于Pb具有毒性，会对人体的健康和环境产生不利影响，故无毒环保、制造成本低、使用性能理想的无铅焊料的研发受到了普遍的重视。在无铅焊料中，SnAgCu焊料由于润湿性良好、力学性能优良、可靠性高，已成为目前首选的替代焊料，但关于SnAgCu焊料互连焊点的可靠性、失效机制等问题还有待深入研究。

目前针对热电耦合条件下焊点可靠性的研究主要有试验和数值模拟两种手段，由于焊点尺寸较小，单纯的通过试验进行研究经费和时间成本过高，通过试验确定焊点可靠性已经不符合实际条件的要求，因此人们需要一种新的互连焊点数值模拟仿真方法来简化分析过程，降低成本。为此，本方法选取无铅元器件互连焊点作为研究对象，研究其在热电耦合条件下的失效模式和失效机理，在此基础上建立一种原子迁移空洞预测算法并编程实现，最终建立适用于热电耦合条件下的无铅元器件互连焊点仿真方法。

(三)发明内容：

1、目的：本发明的目的是提供一种无铅元器件互连焊点热电耦合仿真方法，该方法在热电条件下互连焊点的失效模式和失效机理的基础上，研究原子通量散度数值计算方法，基于ANSYS Workbench仿真分析平台建立了原子迁移空洞预测的有限元仿真算法，从而进行热电耦合条件下无铅元器件互连焊点空洞失效预测仿真分析。该方法操作简单，成本低且便于实施，可指导实际工作条件下无铅互连焊点的失效预测，有助于提高无铅元器件的使用可靠性，为工程实践中元器件焊点的可靠性研究工作提供理论指导。

2、技术方案：本发明是一种无铅元器件互连焊点热电耦合仿真方法，它包括如下步骤：

步骤一：无铅元器件互连焊点热电耦合失效机理分析

在对无铅元器件互连焊点进行仿真分析之前，首先需要对热电耦合条件下无铅元器件互连焊点的失效模式和失效机理进行研究。在热场和电场的耦合作用下，互连焊点的主要失效机理为电迁移、热迁移和应力迁移共同驱动的原子迁移。由此，可以对互连焊点在热电耦合场中的仿真过程进行简化。

步骤二：原子迁移空洞预测算法研究