电子元器件不断向轻质量、高性能、高集成度方向发展,采用倒装焊技术的电子元器件引脚密度高、导热性能好、具有优异的电性能,广泛应用于航空航天及国防等领域,已成为未来装备发展的支撑技术之一。本文以陶瓷柱栅阵列（Ceramic Column Grid Array,CCGA）封装器件为研究对象,对其关键结构在工艺及温度循环条件下的失效进行了仿真分析,并选取合理的失效物理模型进行寿命预测。首先对CCGA封装器件的封装工艺进行了数值模拟,主要包括电镀铜柱、凸点焊接、下填料填充、导热胶填涂、盖板密封、板级焊柱焊接等工艺步骤。在封装过程中发现,相比其它工艺步,凸点焊接时产生的应力和应变值都相对较大,很大程度上由于其较高的回流温度造成。下填料的填充和板级焊柱焊接两个工艺步产生的翘曲最为严重,可着重优化相应工艺步来最大程度减轻工艺过程中的翘曲变形。在封装工艺基础上,对CCGA封装器件进行温度循环仿真分析。运用子模型技术,分别对铜柱凸点和板级焊柱两种关键结构在工艺-服役全流程中的失效进行了分析,并选取合理的寿命模型进行寿命预测。从分析结果发现,工艺流程完成后会产生一定的残余应力。在温度循环过程中,两种结构的非弹性应变都随着时间的增加不断积累,且都发生了应力的释放。凸点的寿命比板级焊柱的预测寿命值要小,可见凸点是倒装焊器件的最薄弱环节。以凸点寿命作为整体器件的寿命,然后对凸点和板级焊柱两种关键结构分别进行结构参数和材料参数的优化设计,其中以凸点和板级焊柱的直径和高度作为结构参数优化设计的设计变量,以PCB板、LTCC基板和芯片的热膨胀系数作为材料参数优化设计的设计变量。结果表明,凸点的高度和LTCC基板的热膨胀系数对寿命影响最大。最优的结构参数组合为:板级焊柱直径为500μm,板级焊柱高度为2540μm,凸点直径为70μm,凸点高度为31μm。最优的材料参数组合为:PCB板热膨胀系数为20.0 x10^-6/°C,LTCC基板热膨胀系数为5.8 x10^-6/°C,芯片热膨胀系数为3.2 x10^-6/°C。另外,建立了陶瓷柱栅阵列（Ceramic Column Grid Array,CCGA）封装、陶瓷球栅阵列（Ceramic Ball Grid Array,CBGA）封装和塑料球栅阵列（Plastic Ball Grid Array,PBGA）封装三种有限元模型,研究了板级互连结构和封装材料对器件热疲劳寿命的影响。板级互连结构分别采用焊柱和焊球,封装材料分别采用陶瓷封装和塑料封装。从分析结果发现,CBGA器件的热疲劳寿命最小。对于陶瓷封装而言,焊柱互连的形式优于焊球互连的形式,对于焊球互连而言,塑料封装比陶瓷封装具有更大的优势。