褚華斌1吳志偉1陳素鵬1李志博2李國元21-廣東省粵晶高科股份有限公司2-華南理工大學SiP封裝鋰電池保護模塊可靠性分析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李國元2SiP封大綱鋰電池保護電路及市場應用簡介可靠性分析的必要性分析模型建模濕擴散和濕應力模擬熱應力模擬MSL-1試驗結果和驗證功率載荷模擬分析總結9/21/20232廣東省粵晶高科股份有限公司大綱鋰電池保護電路及市場應用簡介8/8/20232廣東省粵晶鋰電池電芯＋鋰電池保護電路就構成了完整的成品鋰電池。保護電路起著過充電、過放電、過電流和溫度保護，是鋰電池安全運行的伴侶，不可缺少。本項目是將傳統的鋰電池保護電路通過先進的封裝技術SiP封裝集成在一個LGA(焊盤網格陣列)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，主要用作單節鋰電池的保護電路，可廣泛應用于對外形敏感的各類手持消費電子產品，市場容量無比巨大。鋰電池保護電路及市場應用簡介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＋鋰電池保護電路就構成了完整的成品鋰電池。保護電路將傳統的完整鋰電池保護電路SiP封裝成LGA微型模塊。LGA外形因子極小，也采用SMT貼裝。LGA內部混裝了2～4個電阻、1個電容、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，且內含總電源回路路線，所以功率（熱量）密度成倍提高。基于PCB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、熱環境和功率加載條件下的可靠性。可靠性分析的必要性9/21/20234廣東省粵晶高科股份有限公司將傳統的完整鋰電池保護電路SiP封裝成LGA微型模塊。可靠性分析模型建模各部分尺寸單位/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相對濕度

相對濕度為1時表示吸濕已達飽和狀態，可見在經過84小時后，塑封材料和基板的大部分已達到飽和狀態，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來，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小時后，相對濕度最小值出現在粘接層2的中心處，為0.969已經非常接近1，可認為封裝體內部已基本飽和。16h@雙8584h168h9/21/20236廣東省粵晶高科股份有限公司相對濕度相對濕度為1時表示吸濕已達飽和狀態，可粘接層中心的相對濕度與時間的關系曲線

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

可見濕應力隨著時間增長而增大，但其分布則基本保持一致。濕應力最大值出現在芯片2下面的焊盤邊角上。濕應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力分布則較小。濕應力分布9/21/20238廣東省粵晶高科股份有限公司16h@雙8584h168h可見濕應力隨著時間芯片上濕應力分布

芯片上的濕應力分布如左圖所示，芯片1的最大濕應力出現在與塑封材料接觸的邊角A點上，達到58.4MPa；芯片2的最大濕應力也出現在與塑封材料接觸的邊角B點上，達到86.9MPa。此微型LGA模塊在實際使用時，芯片2是最大的熱源，溫度最高，所以芯片2上的濕應力分布對器件可靠性有較大影響。濕應力分布主要與材料的吸濕特性和界面分布與面積有關，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力分布芯片上的濕應力分布如左圖所示，回流焊熱應力模擬

通過對回流焊在250℃峰值溫度下的熱應力仿真，結果顯示熱應力主要集中在芯片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力分布，可見在它們的邊角上出現最大的熱應力，容易引起分層。引起熱應力的主要原因是各種材料的熱膨脹系數失配，而材料的幾何尺寸也對熱應力分布有影響。9/21/202310廣東省粵晶高科股份有限公司回流焊熱應力模擬通過對回流焊在250℃峰值溫度實驗結果與驗證MSL-1可靠性試驗前后SAT掃描照片芯片2粘結層截面SEM圖都證實了以上的濕熱環境模擬結果，分層發生在芯片2下方的銅焊盤邊角與粘結料界面處。9/21/202311廣東省粵晶高科股份有限公司實驗結果與驗證MSL-1可靠性試驗前后SAT掃描照片芯片2功率加載分析溫度分布熱應力分布芯片2的應力和與塑封料、粘結料界面的剪切應力分布芯片破裂和界面分層是高水平機械應力下的常見失效模式。因此，通過計算機模擬也分別發現，高功率載荷下芯片2邊角處的應力和其界面的剪切應力最大。硅芯片的斷裂強度大約是140MPa，所以在各處和各種機械應力作用下，有可能發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匹配等方面綜合設計縮小熱應力影響。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力分布芯片2的應力和與塑封料、粘結料總結本文完成了對SiP封裝鋰電池保護模塊的可靠性分析：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。在濕熱環境下，導致的機械應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，由此引起的熱應力導致芯片2邊角處的應力和其界面的剪切應力最大，將可能導致芯片破裂和界面發生分層。所以可以從芯片面積、厚度、基板熱沉布線、材料的CTE匹配等方面綜合設計縮小熱應力。下一步將充分考慮上述可靠性分析結果，再通過優化模塊結構、選擇合適的材料、改善基板布線和尺寸等手段