POP(Package on Package)是一种典型的三维封装解决方案,可以同时集成逻辑芯片和存储芯片,已经成为不断追求更小更薄的手持设备市场上的重要组成部分。和芯片堆叠的封装形式相比,POP封装的优点在于装配前各个器件可以单独测试,保障了更高的良品率,总的堆叠装配成本可降至最低。同时器件的组合选择有更大的自由度,对于3G移动电话,数码像机等产品是优选的装配方案。但是,由于POP封装相对复杂的结构,散热问题、封装材料热膨胀系数不匹配带来的翘曲控制以及跌落等可靠性问题成为制约POP进一步发展的瓶颈,因此对POP器件可靠性的研究有着十分重要的意义。本文对一个市场中主流的两层POP器件建立有限元模型进行热传分析,计算中考虑了空气自然对流条件,并用实验实测器件温度验证了该计算方法的准确性。然后,利用该方法对器件进行稳态热分析,通过计算结果总结得到POP中芯片功率与顶层封装最大温度和底层封装最大温度差值之间的关系式,并利用该关系式为POP热管理提供策略和建议。考虑到PCB (Printed Circuit Board)和底部衬底作为POP散热的主要途径,通过参数化分析得到在一定的阈值下底部衬底和PCB板的热导率的增大可以有效的降低POP封装的最高温度。利用单元生死法和有限元热应力的计算方法,研究了两层POP器件顶部封装的初始翘曲和芯片的功率对回流工艺之后和工作状态下POP器件翘曲以及热应力的影响。研究发现,回流组装后顶部封装初始翘曲为0时POP器件焊球的最大等效应力值最小,且焊球应力最大位置通常位于POP封装中底部封装和PCB板之间的焊球阵列中。同时,在POP器件工作状态下,顶部封装的初始翘曲控制在-20μm到20μm之间时,焊球阵列的最大应力较小。随着芯片功率的增大,POP封装的翘曲和焊球应力都会随着减小,但是芯片功率的变化对底部封装翘曲的影响更明显。本文根据JEDEC标准设计了板级跌落测试专用的PCB测试板,使用1500G,0.5ms的测试条件对两层堆叠和三层堆叠的POP器件进行跌落测试。除了对器件进行静态电性能测试之外,还对跌落过程中的瞬态信号进行了实时监测。观察到两层堆叠和三层堆叠的POP器件在没有填充的情况下,跌落失效的位置均发生在底部封装中,并通过失效分析观察到两种失效模式,同时还发现三层POP器件的底部封装的焊料使用SAC125时,比SAC305有更好的跌落性能表现。