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四边扁平无引脚(Quad flat non-lead—QFN)芯片封装，简称QFN封装，尤其是具有较高I/O密度的多圈QFN封装由于尺寸小、成本低、具有良好的电、热性能，近年来得到广泛应用。然而，多圈QFN封装在制造和服役阶段面临的可制造性与可靠性问题十分突出。在封装工艺过程中，封装的过度翘曲不仅引起分层、焊点断裂失效，而且增加切割、表面贴装等工艺的加工难度;回流焊工艺易发生塑封料与芯片载体界面分层失效;服役过程中由于焊点高度低导致热疲劳寿命较低;在散热管理方面，由于芯片功率增大、封装尺寸减小引起的散热问题等等。因此，如何有效提高多圈QFN封装的可制造性与可靠性成为产品在研发阶段需要特别关注的问题。 本文采用实验研究和数值模拟方法，对多圈QFN封装在制造和服役阶段的可制造性与可靠性协同设计进行了系统研究，主要工作包括: (1)塑封料固化反应实验研究与固化动力学模型建立。采用差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry—DSC）实验研究了多圈QFN封装塑封料在动态温度和等温载荷模式下的固化动力学行为，测定了不同升温速率和等温温度固化过程的固化反应热，发现固化反应具有明显的自催化效应。对DSC实验结果进行非线性拟合，得到了基于Kamal模型的固化反应动力学模型。 (2)塑封料动态力学性能实验研究与粘弹性本构模型建立。采用拉伸模式DMA实验测定了完全固化塑封料的玻璃转化温度Tg，以及储能模量、损耗模量和损耗正切等粘弹性材料参数。根据时间-温度叠加原理得到了采用广义麦克斯韦方程形式的储能模量主曲线和基于WLF方程的时间-温度转化因子。通过非线性拟合建立了固化无关的粘弹性本构模型。发展了一种连续检测未固化塑封料在整个固化过程中力学性能演化的方法。采用压缩模式DMA实验研究了未固化塑封料的储能模量随温度、时间和固化反应的演化。研究发现:凝胶化点前，储能模量很小;凝胶化点后，储能模量随固化反应快速增大;完全固化后，储能模量与固化无关，表现为固化无关粘弹性力学性能。 (3)多圈QFN封装翘曲数值模拟与工艺参数优化。采用数值模拟方法计算了多圈QFN封装的翘曲，并采用田口正交实验设计方法研究了结构和材料参数的影响，发现芯片尺寸和塑封料的热膨胀系数是影响翘曲的显著因子。采用响应曲面方法建立了基于二阶回归方程的翘曲预测模型，得到了翘曲最小化的最优组合设计。基于塑封料的DSC和DMA实验研究得到的力学模型，采用多次重启动技术实现了多圈QFN封装塑封/塑封后固化工艺过程数值模拟。在不同工艺步骤中塑封料采用不同本构模型，模拟了封装条带在塑封工艺至塑封后固化工艺冷却阶段的翘曲演化，研究了工艺参数对翘曲的影响。研究发现:塑封温度越高，翘曲越小;塑封压强过大或过小都将增大翘曲;塑封时间越长，翘曲越小;塑封后固化温度越高，翘曲越大;过长的塑封后固化时间对翘曲无明显影响。 (4)多圈QFN封装塑封料/芯片载体界面分层分析与失效准则建立。采用推晶实验测量了塑封料/芯片载体界面的结合强度，并研究了温度、塑封料类型和芯片载体类型（有/无镀银层）的影响。研究发现:温度越高，结合强度越低;不同塑封料类型与芯片载体的结合强度具有差异;镀银层的存在使得结合强度明显降低。通过回流焊可靠性实验发现了界面分层失效模式。采用数值模拟方法计算了回流焊温度下塑封料与芯片载体的界面应力，建立了多圈QFN封装界面可靠性评价方法和塑封料/芯片载体界面分层失效准则。采用基于数值模拟的析因实验设计方法研究了结构和材料参数对界面分层的影响，发现塑封料的弹性模量、塑封料/芯片载体界面长度是影响界面分层的显著因子。采用响应曲面方法得到了基于线性和2FI回归方程的界面分层预测模型。 (5)多圈QFN封装焊点热疲劳寿命分析与优化设计。采用基于数值模拟的单一因子方法和田口正交实验设计方法研究了结构、材料和工艺参数对多圈QFN封装焊点热疲劳寿命的影响，发现PCB的热膨胀系数、焊点高度和塑封料的热膨胀系数是影响热疲劳寿命的显著因子，得到了能显著提升热疲劳寿命的最优组合设计，以及最优设计情况下的热疲劳寿命。 (6)多圈QFN封装散热性能分析与优化设计。采用计算流体动力学方法计算了多圈QFN封装的结点温度和热阻，采用单一因子方法研究了结构、材料参数以及外部环境温度和强制对流风速等工艺参数的影响，发现强制对流风速、粘片胶的热导率、芯片长度和PCB各金属层Cu含量是影响散热性能的显著因子，同时发现粘片胶的热导率与芯片长度之间具有显著的交互作用。采用响应曲面方法进行散热性能设计，建立了基于线性和二阶回归方程的热阻预测模型，得到了热阻最小化的最优组合设计。 (7)多圈QFN封装可制造性与可靠性协同仿真设计。提出了基于数值模拟的芯片封装可制造性与可靠性协同设计方法，采用Pareto最优原理多目标优化方法得到了多圈QFN封装可制造性与可靠性协同设计的优化解集，为产品开发提供了合理的设计方案。基于本文设计方法，提出了一批新型多圈QFN封装结构和工艺，形成了以发明专利为代表的核心知识产权。