随着电子封装向小型化、高密度发展,近几年高速发展起来的晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)成为目前主流的封装形式之一。WLCSP引入了重布线(RDL)和凸点(Bumping)技术,有效地减小了封装的体积,是实现高密度、高性能封装的重要技术,很好地满足便携式电子产品尺寸不断减小的需求。WLCSP在工作期间要经受高低温温度循环,由于WLCSP没有倒装芯片互连所需的底部填充料工艺,器件中不同材料间热膨胀系数(CTE)的失配导致焊球产生热应力和应变,造成应变能积累,产生裂纹并断裂,导致封装失效。焊球的热-机械可靠性在很大的程度上决定了WLCSP的可靠性。因此,如何提高WLCSP的热-机械可靠性具有重要的意义。本文采用ANSYS有限元模拟,结合热冲击与热循环实验对WLCSP的热-机械可靠性问题进行了研究,研究如下几个方面的内容：首先,研究了WLCSP微焊球结构尺寸对其热-机械可靠性的影响。通过二维有限元模拟研究了微焊球主要尺寸参数对焊球和底部金属层(UBM)中热应力的影响,筛选出对WLCSP微焊球和UBM中热应力影响显著的参数,采用完全因子试验和多因子方差统计分析的方法定量评估各种因子影响的显著性。其次,采用有限元模拟研究了WLCSP在热循环下的热应力与应变的分布规律,结合子模型技术研究了封装中焊球的材料种类、形状和半径对封装可靠性的影响。采用弹-塑-蠕模型研究温度曲线对WLCSP中焊球的力学行为的影响。再次,将WLCSP组装到PCB板上,通过热冲击和热循环实验,得到了特征失效寿命等可靠性数据,采用X射线检测和扫描电镜对样品进行失效分析,研究了失效机理。最后,对比实验和模拟的结果,研究了统一热冲击和热循环的焊球失效寿命模型。本文研究表明：(1)焊球半径是影响焊球热应力的最关键尺寸因子,钝化层开口和焊球半径是影响UBM热应力的最关键尺寸因子。(2)在热可靠性试验中,从中心位置到边角位置,焊球中的最大热应力和塑性应变依次增大。边角位置的焊球是WLCSP器件的关键焊球。焊球材料对焊球的热应力有明显的影响。焊球形状对UBM热应力有一定的影响。随着焊球半径的增大,焊球的最大热应力减小。(3)焊球失效的模式有两种,第一种是焊球与UBM的交界处产生“V字型”裂纹并断开,第二种是焊球与铜焊盘的交界处产生“倒V字型”裂纹并断开。两种失效模式中,第一种发生的概率大于第二种。非弹性应变能密度与升降温速率的倒数之间满足指数关系。在保温时间和温度范围不变的情况下,关键焊球的疲劳失效寿命是升降温速率的函数。利用该函数可将热冲击与热循环联系起来。