褚華斌SiP封裝鋰電池保護(hù)模塊可靠性分析課件

褚華斌1吳志偉1陳素鵬1李志博2李國(guó)元21-廣東省粵晶高科股份有限公司2-華南理工大學(xué)SiP封裝鋰電池保護(hù)模塊可靠性分析9/21/20231廣東省粵晶高科股份有限公司褚華斌1吳志偉1陳素鵬1李志博2李國(guó)元2SiP封大綱鋰電池保護(hù)電路及市場(chǎng)應(yīng)用簡(jiǎn)介可靠性分析的必要性分析模型建模濕擴(kuò)散和濕應(yīng)力模擬熱應(yīng)力模擬MSL-1試驗(yàn)結(jié)果和驗(yàn)證功率載荷模擬分析總結(jié)9/21/20232廣東省粵晶高科股份有限公司大綱鋰電池保護(hù)電路及市場(chǎng)應(yīng)用簡(jiǎn)介8/8/20232廣東省粵晶鋰電池電芯＋鋰電池保護(hù)電路就構(gòu)成了完整的成品鋰電池。保護(hù)電路起著過充電、過放電、過電流和溫度保護(hù)，是鋰電池安全運(yùn)行的伴侶，不可缺少。本項(xiàng)目是將傳統(tǒng)的鋰電池保護(hù)電路通過先進(jìn)的封裝技術(shù)SiP封裝集成在一個(gè)LGA(焊盤網(wǎng)格陣列)微型模塊里面，使得外形輕、薄、短、小、可靠性高和綜合制造成本更低，主要用作單節(jié)鋰電池的保護(hù)電路，可廣泛應(yīng)用于對(duì)外形敏感的各類手持消費(fèi)電子產(chǎn)品，市場(chǎng)容量無(wú)比巨大。鋰電池保護(hù)電路及市場(chǎng)應(yīng)用簡(jiǎn)介8×3.0×1mm30×3.5×2mm9/21/20233廣東省粵晶高科股份有限公司鋰電池電芯＋鋰電池保護(hù)電路就構(gòu)成了完整的成品鋰電池。保護(hù)電路將傳統(tǒng)的完整鋰電池保護(hù)電路SiP封裝成LGA微型模塊。LGA外形因子極小，也采用SMT貼裝。LGA內(nèi)部混裝了2～4個(gè)電阻、1個(gè)電容、3只硅芯片（包括IC和功率MOSFET）。LGA高集成度封裝，PCB載板和塑封材料熱阻高，且內(nèi)含總電源回路路線，所以功率（熱量）密度成倍提高?；赑CB的LGA封裝還具有較大的濕敏特性。綜以上，本文模擬分析了該模塊的耐濕、熱環(huán)境和功率加載條件下的可靠性?？煽啃苑治龅谋匾?/21/20234廣東省粵晶高科股份有限公司將傳統(tǒng)的完整鋰電池保護(hù)電路SiP封裝成LGA微型模塊?？煽啃苑治瞿Ｐ徒８鞑糠殖叽鐔挝?mm基板8×3.0×0.5芯片10.5×0.5×0.2芯片20.8×0.8×0.2無(wú)源元件1.97×0.5×0.3塑封材料厚度0.5粘接材料厚度0.03焊料厚度0.03焊盤厚度0.035模型要素與尺寸9/21/20235廣東省粵晶高科股份有限公司分析模型建模各部分尺寸單位/mm基板8×3.0×0.5芯片1相對(duì)濕度

相對(duì)濕度為1時(shí)表示吸濕已達(dá)飽和狀態(tài)，可見在經(jīng)過84小時(shí)后，塑封材料和基板的大部分已達(dá)到飽和狀態(tài)，而粘接層大部分未飽和，只在靠近塑封材料的邊角上接近飽和。這是由于粘接層處于芯片和焊盤之間，濕氣只能通過與塑封材料相接的部分傳進(jìn)來(lái)，因此粘接層的吸濕速率很慢，也造成粘接層的濕氣梯度較大。吸濕168小時(shí)后，相對(duì)濕度最小值出現(xiàn)在粘接層2的中心處，為0.969已經(jīng)非常接近1，可認(rèn)為封裝體內(nèi)部已基本飽和。16h@雙8584h168h9/21/20236廣東省粵晶高科股份有限公司相對(duì)濕度相對(duì)濕度為1時(shí)表示吸濕已達(dá)飽和狀態(tài)，可粘接層中心的相對(duì)濕度與時(shí)間的關(guān)系曲線

9/21/20237廣東省粵晶高科股份有限公司粘接層中心的相對(duì)濕度與時(shí)間的關(guān)系曲線8/8/20237廣東16h@雙8584h168h

可見濕應(yīng)力隨著時(shí)間增長(zhǎng)而增大，但其分布則基本保持一致。濕應(yīng)力最大值出現(xiàn)在芯片2下面的焊盤邊角上。濕應(yīng)力較大的地方還分布在塑封材料與芯片相接觸的界面上，以及焊料與無(wú)源元件、焊盤相接觸的界面上，而粘接層與芯片、焊盤的接觸界面的濕應(yīng)力分布則較小。濕應(yīng)力分布9/21/20238廣東省粵晶高科股份有限公司16h@雙8584h168h可見濕應(yīng)力隨著時(shí)間芯片上濕應(yīng)力分布

芯片上的濕應(yīng)力分布如左圖所示，芯片1的最大濕應(yīng)力出現(xiàn)在與塑封材料接觸的邊角A點(diǎn)上，達(dá)到58.4MPa；芯片2的最大濕應(yīng)力也出現(xiàn)在與塑封材料接觸的邊角B點(diǎn)上，達(dá)到86.9MPa。此微型LGA模塊在實(shí)際使用時(shí)，芯片2是最大的熱源，溫度最高，所以芯片2上的濕應(yīng)力分布對(duì)器件可靠性有較大影響。濕應(yīng)力分布主要與材料的吸濕特性和界面分布與面積有關(guān)，所以可以從上述方面加以改善。9/21/20239廣東省粵晶高科股份有限公司芯片上濕應(yīng)力分布芯片上的濕應(yīng)力分布如左圖所示，回流焊熱應(yīng)力模擬

通過對(duì)回流焊在250℃峰值溫度下的熱應(yīng)力仿真，結(jié)果顯示熱應(yīng)力主要集中在芯片2下方的粘接材料和銅焊盤上。左圖為芯片2下方的粘接材料和銅焊盤上的熱應(yīng)力分布，可見在它們的邊角上出現(xiàn)最大的熱應(yīng)力，容易引起分層。引起熱應(yīng)力的主要原因是各種材料的熱膨脹系數(shù)失配，而材料的幾何尺寸也對(duì)熱應(yīng)力分布有影響。9/21/202310廣東省粵晶高科股份有限公司回流焊熱應(yīng)力模擬通過對(duì)回流焊在250℃峰值溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證MSL-1可靠性試驗(yàn)前后SAT掃描照片芯片2粘結(jié)層截面SEM圖都證實(shí)了以上的濕熱環(huán)境模擬結(jié)果，分層發(fā)生在芯片2下方的銅焊盤邊角與粘結(jié)料界面處。9/21/202311廣東省粵晶高科股份有限公司實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證MSL-1可靠性試驗(yàn)前后SAT掃描照片芯片2功率加載分析溫度分布熱應(yīng)力分布芯片2的應(yīng)力和與塑封料、粘結(jié)料界面的剪切應(yīng)力分布芯片破裂和界面分層是高水平機(jī)械應(yīng)力下的常見失效模式。因此，通過計(jì)算機(jī)模擬也分別發(fā)現(xiàn)，高功率載荷下芯片2邊角處的應(yīng)力和其界面的剪切應(yīng)力最大。硅芯片的斷裂強(qiáng)度大約是140MPa，所以在各處和各種機(jī)械應(yīng)力作用下，有可能發(fā)生芯片破裂和芯片界面處分層。所以可以從芯片面積、基板熱沉布線、材料的CTE匹配等方面綜合設(shè)計(jì)縮小熱應(yīng)力影響。9/21/202312廣東省粵晶高科股份有限公司功率加載分析溫度分布熱應(yīng)力分布芯片2的應(yīng)力和與塑封料、粘結(jié)料總結(jié)本文完成了對(duì)SiP封裝鋰電池保護(hù)模塊的可靠性分析：與普通的MSL-1水平的金屬引線框架封裝相比，SiP封裝LGA微型模塊具有較大的熱敏、濕敏特性。在濕熱環(huán)境下，導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力主要分布在芯片邊角與塑封料、基板鍍金銅焊盤邊角與塑封料的接觸界面上。改善材料吸濕特性，減小濕氣分布梯度和不同材料間的界面分布與面積將減小濕應(yīng)力。功率加載模擬分析，模塊溫度上升，芯片2成為主要熱源，由此引起的熱應(yīng)力導(dǎo)致芯片2邊角處的應(yīng)力和其界面的剪切應(yīng)力最大，將可能導(dǎo)致芯片破裂和界面發(fā)生分層。所以可以從芯片面積、厚度、基板熱沉布線、材料的CTE匹配等方面綜合設(shè)計(jì)縮小熱應(yīng)力。下一步將充分考慮上述可靠性分析結(jié)果，再通過優(yōu)化模塊結(jié)構(gòu)、選擇合適的材料、改善基板布線和尺寸等手段