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随机空洞生成及热冲击载荷对发光二极管倒装芯片焊点机械可靠性的影响

DOI：10.3390/ma13010094 期刊：Materials 出版年份：2019 更新时间：2025-09-16 10:30:52
摘要： 为使发光二极管（LED）结构更紧凑高效，在芯片级封装（CSP）中推荐采用倒装焊锡球连接——该连接在机械支撑、散热及导电方面具有关键作用。然而焊锡球空洞的产生始终影响着连接点的机械强度、热稳定性及可靠性。本文基于JEDEC热冲击测试标准（JESD22-A106B），通过建模研究LED倒装焊Sn96.5–Ag3.0–Cu0.5（SAC305）焊锡球连接中三维随机空洞的生成情况，并结合仿真与实验手段探究热冲击载荷对其机械可靠性的影响。研究结果表明：（1）经热冲击老化后焊点空洞率上升，其剪切强度呈指数级衰减；（2）焊点第一主应力虽无明显增加，但当焊点角落出现通孔空洞时将急剧升高；（3）针对随机分布空洞的焊点疲劳失效建模采用近似模型估算寿命，实验数据证实绝对预测误差可控制在2.84%左右。
作者： Jiajie Fan，Liang Deng，Jie Wu，Changzhen Jiang，Hao Zhang，Mesfin Ibrahim
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

为研究LED CSP中SAC305焊点的可靠性，本研究首先采用统计方法建立了含随机分布空洞的焊点三维模型。随后通过有限元模拟研究了考虑随机空洞影响的焊点力学强度与散热性能。最后设计热冲击实验与模拟来评估LED CSP中焊点的疲劳失效情况。

研究成果

结果表明：(1) 经过长期热冲击测试后，焊点空洞率增加，其剪切强度呈指数趋势退化；(2) 由于应力始终集中在空洞附近，焊点的一阶主应力明显受空洞位置影响，特别是当通孔空洞形成于焊点角落时；(3) 在热冲击老化测试过程中，随着空洞率增长，焊点的热阻也同步增加；(4) 焊点内空洞的形成始终影响其可靠性。通过将三维随机分布空洞模型嵌入Anand和Coffin-Manson模型提出的寿命评估方法，可提高LED CSP焊点疲劳失效预测的准确性。

研究不足

该研究承认空隙测量和剪切力测量中均存在较大不确定性，这可能影响孔隙率增加与剪切力减小之间的关系。此外，X射线图像中空隙的Z坐标无法确定，因此假设空隙在Z轴上的位置在焊点内呈随机分布。

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