（微电子学与固体电子学专业论文）无铅bga焊点的疲劳寿命评估技术研究.pdf

摘要 摘要 在热循环过程中，焊点受到芯片端和p c b 端各组件及本身热膨胀不 匹配效应的影响，局部位置会产生大的应力应变，过度疲劳后会有裂纹 产生并且扩展直至断裂，引起焊点失效。利用有限元分析工具对焊点进 行建模仿真，得出应力应变的分布状态、时间历程及迟滞回线，可以理 解焊点的热循环疲劳过程，根据相关的疲劳寿命预测准则，可以对焊点 的寿命进行评价，从而指导焊点的可靠性设计。这种方法是现代微电子 封装领域内经常使用的手段，它可以在工艺制作完成前对焊点的疲劳寿 命作出前瞻性地预测。本文针对无铅焊料s n 3 5 a g 的b g a 焊点进行了 有限元模拟仿真的研究，主要内容及成果如下： 1 利用有限元分析工具a n s y s 建立了p b g a 封装的1 4 组件模型，并 采用统一的粘塑性a n a n d 本构方程来描述焊点的力学行为，之后对模 型施加一定约束条件并加载温度循环载荷经a n s y s 求解器计算，提 取其计算结果来研究焊点的疲劳性能；考虑到热循环过程中焊点所受 的复杂应力情况，依照第四强度理论，提取v o nm i s e s 应力应变作为 研究对象，同时将第三强度理论要求的最大剪切应力应变也作为研究 对象来与第四强度理论的分析结果进行对比。 2 研究显示：随着温度循环载荷的施加，焊点阵列会产生不均匀的应力 应变分布，局部位置会产生应力集中和大的塑性应变，考虑此两方面 的因素，得知阵列的内侧焊点为疲劳失效最易首先发生的所在；进一 步分析了这些疲劳失效点处的应力和应变的时间历程和相应的迟滞 回线，从分析中得知随循环时间的增加，应力变化比较平稳，但在高 温保持段的两侧出现了大的瞬间波动；而塑性应变有明显增大的趋 势，从迟滞回线的分析中得知随着循环次数的增加，回线会逐渐趋于 平稳，这是疲劳失效的显著特征。 3 建立了带空洞的b g a 焊点模型，并对其进行有限元分析。通过研究 得出：中心空洞的存在对焊点的底部和项部的高应力区向焊点内部的 延伸有阻碍作用，但若空洞和焊点的截面积比超过2 0 ，高的应力会 广东工业大学硕士学位论文 出现在空洞内部靠近焊点顶部的位置；若空洞位于无空洞的模型分析 里焊点本身的高应力区( 焊点顶部) ，会使应力分布发生很大的改变， 在降低了空洞所在焊点处应力应变的同时，原本的高应力区已经扩散 进入空洞区域，随着空洞尺寸的增大，扩散区会越来越大；若空洞位 于无空洞的模型分析里焊点本身的低应力区( 焊点底部) ，同样会对 原本的应力分布产生大的影响，使高应力区的范围向焊点内部延伸， 但此位置空洞的尺寸对应力分布的改变作用不大；不论空洞出现在高 应力区，还是低应力区，都使得阵列中原本存在最大应力和最大塑性 应变的点从空洞所在的焊点处转移到了别的与此焊点受力完全不同 的焊点上，这体现了存在空洞的焊点表现出的与完整无空洞的焊点在 力学性能上的区别；最后，通过对带空洞的焊点进行寿命评估，得出 不论空洞存在于焊点中的哪个部位，都会使整个组件的寿命下降。 关键词焊点；无铅；有限元；应力应变；空洞 a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n g t h e r m a lc i r c u l a t i o n ，s u f f e r i n gf r o mt h eh e a t e x p a n s i o am i s m a t c ho f s e v e r a lc o m p o n e n t sb e t w e e nd i e s i d ea n dp c b - s i d ei nap b g aa s s e m b l y ，a n df r o m s o l d e rj o i n ta r r a yi t s e l f ，s o m el o c a lp o s i t i o n so fs o l d e rj o i n t sw i l lp r o d u c eh i g h e r s t r e s sa n ds t r a i n a f t e re x c e s s i v ef a t i g u e ，c r a c k sw i l lb ei n i t i a t e d ，e x p a n d e da n d e v e nf r a c t u r e di nt h o s ep o s i t i o n s t h u s ，t h ef a i l u r eo fs o l d e rj o i n t so c c u r s t h e f a t i g u ea n a l y t i c a lm e t h o dt h r o u g hs o l d e rj o i n t sm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nu s i n gf i n i t e e l e m e n t t o o l s ， c a n d e v e l o p t h e d i s t r i b u t i o n ，t h et i m e h i s t o r yp l o t s a n d h y s t e r e s i s l o o p so fs t r e s s - s t r a i n f r o mt h e s er e s u l t s ，w ec a nu n d e r s t a n dt h et h e r m a l f a t i g u eb e h a v i o rd u r i n gt h ec y c l e s ，e v a l u a t et h ef a t i g u el i f eo ft h e s o l d e rj o i n t s a c c o r d i n gt or e l a t i v el i f e p r e d i c t i n gr u l e s ，a n dt h e ng u i d et h er e l i a b i l i t yd e s i g no f c e r t a i ns o l d e rj o i n t s t h i sa n a l y t i c a lm e t h o di so f t e nu s e di nt o d a ym i c r o e l e c t r o n i c p a c k a g i n g s ，a n d c a n f o r w a r d l yf o r c a s tt h ef a t i g u e l i f eo f s o l d e rj o i n t sb e f o r e m a n u f a c t u r i n g t h i sp a p e rm a k e st h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa st ol e a d - f r e es o l d e r j o i n t ( s n - 3 5 a g ) ，a n dt h ep r i m a r yr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t os e tu pt h e1 4f i n i t ee l e m e n tp b g am o d e lu s i n ga n s y s ，a n da d o p tt h eu n i f i e d v i s c o p l a s t i ea n a n dc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n t od e s c r i b e s n - 3 5 a g m e c h a n i c a l b e h a v i o r ，t h e nl o a dt e m p e r a t u r ec y c l el o a d st oc a l c u l a t ev onm i s e ss t r e s sa n d s t r a i nd u r i n gt h ec y c l e s ，a n dl a s ta n a l y z ef a t i g u ef a i l u r eb e h a v i o ro fs o l d e rj o i n t s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t sf r o ma n s y s sp o s t p r o c e s s o r ，m e a n w h i l e ，c o m p a r et h e a n a l y s i sr e s u l t sw i t hs t r e s sa n ds t r a i ni n t e n s i t y ( m a x i m u ms h e a rs t r e s sa n ds t r a i n ) 2 s t u d ym a n i f e s t s ：f o l l o w i n gt e m p e r a t u r ec y c l el o a d sa h e a d ，t h em a x i m u mv on m i s e ss t r e s sa n ds t r a i nb ec a u s e da ti n n e r s i d es o l d e rj o i n t so ft h ea r r a y b o t t o m ， a n ds t r e s sc h a n g ei sr e l a t i v e l ys t e a d ya n dp l a s t i cs t r a i nh a sag r a d u a li n c r e s c e n t t e n d e n c ya c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h em a x i m u mv onm i s e sp l a s t i cs t r a i n p o s i t i o n f r o mt h ep l o t so fh y s t e r e s i sl i n e ，s t r e s s - s t r a i nl o o ph a sag r a d u a ls t e a d y t e n d e n c y ，a n dt h i sj u s tv e r i f i e sf a t i g u ef a i l u r eb e h a v i o ro fs o l d e rj o i n t s 3 t os e tu pa s s e m b l ym o d e lw i t hs o l d e rj o i n tv o i d s ，t h ea n a l y t i c a lr e s u l t sm a n i f e s t ： 广东工业大学硕士学位论文 t h ec e n t e r - v o i di ns o l d e rj o i n te a s e ss t r e s si n t e n s i v ee f f e c t ，a n di fv o i da n ds o l d e r j o i n ts e c t i o nr a t i oo v e r p a s s2 0 ，h i g h e r s t r e s sz o n ew i l le m e r g eo nt h et o po ft h e v o i d ；t h ev o i da to r i g i n a lh i g h e r s t r e s sz o n ew i l ld e c r e a s es t r e s sa n dp l a s t i cs t r a i n o ft h el o c a ls o l d e rj o i n ti t s e l f ，c h a n g et h e i rd i s t r i b u t i o ni nt h es o l d e rj o i n t ，a n d f o l l o w i n gv o i d s i z ei n c r e a s i n g ，h i g h e r - s t r e s sz o n eh a st h et e n d e n c yd i f f u s i n gi n t o s o l d e rj o i n tb o d y ；t h ev o i da to r i g i n a ll o w e r - s t r e s sz o n ew i i id e c r e a s et h e d i s t r i b u t i o n o fs t r e s sa n ds t r a i nl i k e w i s e ，b u tt h ec h a n g eo fi t ss i z eh a sal i t t l e i n f l u e n c eo nt h ec h a n g eo ft h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s s ；f i n a l l y ，w h e t h e rt h ev o i di si n h i g h e r - s t r e s sz o n eo ri nl o w e r s t r e s sz o n e ，t h em a x i m u ms t r e s sa n ds t r a i np o s i t i o n a r ec h a n g e df r o mt h eo r i g i n a lp l a c et oa n o t h e rs o l d e rj o i n tw h o s es t r e s sc o n d i t i o n i sd i f f e r e n t l yo t h e rt h a nt h eo n ew i t hav o i d t h r o u g ht h ee v a l u a t i o no fs o l d e r j o i n tw i t hv o i d s ，w ec o n c l u d et h ee x i s t e n c eo fv o i d sw i l ld e c r e a s et h el i f eo f s o l d e rj o i n t k e y w o r d s s o l d e rj o i n t ；l e a d - f r e e ；f i n i t ee l e m e n t ；s t r e s s - s t r a i n ；v o i d i v 广东t 业人学硕l ：学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是 我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并 表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声 明。 论文作者签字： 姊长 厶 铱 一 币日 厶 厂 师 e 籼 笋 锄 哆 特 矽 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 随着集成电路。( i c ：i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 产业的高速发展，逐渐形成 了设计、制造、封装测试三大分工链。据调查，2 0 0 6 年底我国国内有近 50 家晶圆制造厂，1 12 家封装测试装配厂和4 50 家i c 设计公司；国内半导 体产值8 0 7 亿元人民币，其中封装测试35 0 亿元，晶圆制造2 4 2 亿元，i c 设 计215 亿元。由此可见，封装测试产业在我国半导体产业中占据相当重要 的地位。 由于半导体产业的高速发展，现阶段ic 芯片的设计与制造越来越复 杂与精巧，这要求封装技术必须同步提升，才能维持我国在半导体封装 测试产业的全球竞争力。近年来，半导体芯片超深亚微米技术的突破和 单片集成度的迅速增加，促使微电子封装技术不断向体积小、重量轻、 厚度薄、信号传输速度快、可靠性要求高的方向发展“。另一方面，随 着人们对含铅材料毒性的不断认知，无铅材料的开发和应用也进入了快 速发展的时期，但总的来讲，对于无铅材料在电子封装领域里的失效行 为、机理等问题人们还没有一个统一的认知。 1 1 1b g a c sp 封装已成为主流 封装作为集成电路产业链中的重要一环，对整个产业有着过渡性的 支撑作用，它将设计和制造良好的芯片通过特定的工艺包装起来以安全 可靠地实现与外电路“通信”功能，这些功能包括传递电路信号、提供 散热途径、结构保护与支撑。 按照电子元器件与电路板互连的方式，封装可被分为引脚插入( p t h ： p i nt h r o u g hh o l e ) 和表面贴装( s m t ：s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ) 两种 型式。表面贴装型封装对比引脚插入型封装，由于其更能符合“轻、短、 小”的要求运渐成为了现代电子元器件封装的主流形式。表面贴装技 术，也称为表面组装技术或表面安装技术，它是现代电子封装组装中一 种常见的且不可或缺的工艺技术，对蓬勃发展的不断微型化的电子元器 件产品起着重要的作用。具体来讲，这种工艺是将具有无引脚或短引脚 的表面贴装元器件安放在电路板( p c b ：pr i n t e dc ir c u i tb o a r d ) 的表面或 其他基板的表面上，通过再流焊或浸焊等方法加以焊接组装的电路装连 技术。s m t 由表面组装元器件、电路基板、组装设计、组装材料、组装 工艺、组装设备、组装质量测试、组装系统控制与管理等技术组成，是 一项涉及微电子、精密机械、自动控制、焊接、精细化工、材料、检测 等多种专业和多门学科的综合性工程科学技术m ，。对于表面贴装技术， 按其引脚相对于电子元器件的分布位置可大致分为：单边引脚( s i p ： s i n g l ei n - l i n ep a c k a g e ) 、双边引脚( d i p ：d u a li n - l i n ep a c k a g e ) 、四边引 脚( q f p ：q u a df l a tp a c k a g e ) 、底部引脚( p b g a ：p i n b a l lg a t e a r r a y ， c s p ：一种引脚间距更小的b g a ) 。图1 1 给出了这些封装的典型形式。 啭 d f pc l c c e g a c s p 令妙 t s o pq f pp g a 图1 1 各种芯片的封装形式 在芯片规模不断增大，输入输出端口不断增多的形势下，b g a 封装 形式由于其具有较高的封装密度和较好的电学热学性能( 使传输信号线 变短且线间间距变大) ，得到了广泛的应用( 表1 1 为各种封装形式的对比 0 1 1 ) 。另外，在回流焊工艺中b o a 焊点还具有自对准的优势，这给焊点位 第一章绪论 置的排布留出了一定的余量。 表1 - 1 各种封装形式的对比 t a b l e1 1c o m p a r a t i o no fs e v e r a lp a c k a g i n gs t y l e s 封装形式引脚间距( m m )引脚数量( 个)封装高度( m m ) s i p2 5 4 2 2 36 1 l6 0 d i p2 5 46 6 44 4 5 9 q f p o 6 5 1 04 2 2 3 2 1 5 4 4 p g a1 2 72 5 6 5 2 84 9 5 6 b g a1 o 1 5 2 2 5 5 0 02 5 3 o 电子器件工程联合会( j e d e c ：j o i n te l e c t r o nd e v i c ee n g i n e e r i n g c o u n c i l ) 的工业部门制定了b g a 封装的物理标准，已注册的引线间距有 1 0 m m 、1 2 7 m m 和1 5 m m ，而且目前正在推荐由1 2 7 m m 和1 5 m m 间距 的b g a 取代o 4 0 5 m m 的精细间距器件【0 3 】。 b g a 封装形式有多种类型：塑料球栅阵列( p b g a ：p l a s t i cb a l lg r i d a r r a y ) 、陶瓷球栅阵列( c b g a ：c e r a m i cb a l lg r i da r r a y ) 、芯片规模封 装( c s p ：c h i ps c a l ep a c k a g i n g ) 、陶瓷柱栅阵列( c c g a ：c e r a m i cc o l u m n g r i da r r a y ) 、载带自绑定球栅阵列( t b g a ：t a p ea u t o m a t e db o n d e db a l l g r i da r r a y ) 、微型球栅阵列( 1 ab g a ：m i c r ob a l lg r i da r r a y ) 、迷你球栅 阵列( m i n ib g a ：m i n ib a l lg r i da r r a y ) 等。本课题选用在民用领域应 用广泛的p b g a 作为研究对象，这种封装型式是从摩托罗拉( m o t o r o l a ) 的过模焊盘阵列载体( o m p a c ：o v e rm o l d e dp a da r r a yc a r r i e r ) 演变而 来的1 0 4 。p b g a 对于引脚数目在2 5 0 6 0 0 、功耗少于5 w 的a s i c ( 有时 也包括微处理器) 是成本效益型封装1 0 5 。但p b g a 封装对湿气比较敏感， 吸潮后易产生“爆米花 现象，导致p b g a 失效，另外其返修也比较困 难。图1 2 即为实际的p b g a 封装图示( 经工业和信息化部电子五所分 析中心电子工艺部允许) ，其中1 ) 所示为p b g a 的顶视图，2 ) 所示为五 所实验室经过打磨抛光的切片图。 a ) 顶视图 11 2 焊点无铅化 b ) 切片图 图12 实际使用的p b g a f i g u r e1 - 2ae t u a lus i n gp b g a 从材料角度来讲，b g a 焊点所采用的焊料正在经历从古铅到无铅的 转变。在无铅焊料出现前，电子封装工业中使用最广泛的焊料是共晶成 分的6 3 s n 3 7 p b 或是近共晶成分的6 0 s n 一4 0 p b 。经过许多年的发展和改进， 共晶s n - p b 焊料的物理冶金、力学性能、焊剂化学、生产工艺和可靠性 已经非常成熟，并且材料来源广泛，成本很低。 但是随着人们对环境和健康的关注越来越重视，铅和铅化合物作为 对人体和环境影响危害虽大的十七种有毒化学试剂之一，逐渐被限制或 禁止使用。2 0 0 3 年2 月13 日，欧洲w e e e ( w a s t ee l e c t r i c a la n de le c t r o n i c e q u i p m e n t ) 和r o h s ( t h er e s t r i c t i o no ft h eu s eo fc e r t a i nh a z a r d o u s s u bs t a n c e si ne l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce q u i p m e n t ) 法规强制要求自2 0 0 6 年7 月1 日起，在欧洲市场上销售的电子产品必须为无铅产品( 个别类 型暂时除外) 。在日本，一些电子学制造厂己经宣布了在焊料中减少铅使 用的志愿书，h i t a e h i 、m a t s u s h i t a 、t os h i b a 、n e c 、n t t 、s o n y 都有相关 的决定】。在北美，i b m 、m o t o r a l a 等也在19 9 4 年开始了研究无铅焊料 o m ；l9 9 7 年n o r t e l 网络公司制造了世界上第一台无铅电路电话；国家 制造科学中心( n c m s ) 曾针对众多的无铅焊料进行研究并且选择7 种 合金代替s n - p b 台金，它们是：s n 一35 a g 、s n 一5 8 b i 、s n 一3 a g 一2 b i 、 s n 一26 a g - 08 c u 一05 s b、s n 34 a g - 48 b i、s n - 28 a g - 2 0 i n和 s n 3 5 a g 一05 c u 1 z n i ”】。我国也于2 0 0 6 年1 月出台了电子信息产品污 第一章绪论 染防治管理办法，从电子信息产品的环保、再利用、安全使用期限、有 害材料的限用和生产者的责任等方面给出了规定。 就目前而言，对于无铅焊料的研究，各国的重点、测试标准和测试 数据并不统一，就是对于国际上所看好的s n a g c u 合金，也没有产品的 长期可靠性测试数据。应该注意的是大多数无铅焊料含s n 量都在9 0 以 上。大多数商业用途的无铅焊料熔点范围为2 0 8 2 2 7 ，此温度比传 统的共晶s n - p b183 的熔点高出了3 0 多度，这意味着在回流焊工艺中 金属间化合物会快速的生长，这些化合物的晶粒大小和性能对工业界在 含铅焊料中已经建立的熔点层次提出了挑战”。本课题使用s n 一3 5 a g 无 铅焊料，其熔点为2 21 ，有良好的润湿性。在共晶的s n - 3 5 a g 合金里， a g 以a g 。s n 金属化合物的方式遍布在整个焊体内，由于这种金属化合物 的热稳定性强，所以在老化过程中晶粒不易粗化。据报道“，s n 一3 5 a g 跟3 0 多种普通的软焊料作对比，其有更好的疲劳寿命。 1 1 3b g a 焊点的可靠性评估 1 1 3 1 焊点的疲劳失效机理 物体内同一点的温度发生变化，就会产生热变形。如果热变形是自 由的，那么不会在结构内产生热应力；如果热变形受到约束，即使没有 外力的作用，结构内也会产生热应力。焊点失效的主要原因就是由温度 载荷变化所造成的热应力引起。对于大多数无铅焊点材料而言，其典型 的熔点温度为2 0 8 2 2 7 ，而焊点正常工作时所承受的温度通常为此 熔点温度的0 5 0 9 倍左右，在这种条件下蠕变变形就非常明显t 0 9j 。广 义的蠕变，是指对固体施加外力时其变形随时间增加的现象，这种现象 的特征和重要性在于变形不仅仅与外力相关，而且加上了时间的因素。 蠕变的本质是位错随时间的复杂运动。 焊点失效是一种蠕变与疲劳损伤的复合累积伤。宏观上表现为，热 疲劳损伤导致在远离焊点中心的焊料与基板过渡区( 即高应力区) 产生 初始裂纹，然后逐渐沿焊料与基板界面扩展至整个焊点长度；微观上表 广东工业大学硕士学位论文 现为热疲劳断口表面有疲劳条纹的特征、晶界微空洞和蠕变沿晶界断裂 的痕迹。焊点的疲劳失效与焊料的性质以及显微组织演变、金属化层材 料及厚度、循环温度范围、加速速率、频率、最高温度保持时间等都有 密切关系引。 1 1 3 2 影响b g a 焊点可靠性的因素 焊点作为球栅阵列封装( b g a ) 的重要组成部分，对封装体功能实 现的成功与否起着相对决定的意义，它和别的封装形式的引脚起着类似 的作用：传递电路信号、提供散热途径、结构保护与支撑。电子元器件 在封装及服役条件下，由于功率耗散和环境温度的变化，因材料的热膨 胀失配( t h e r m a le x p a n s i o nm i s m a t c h ) 在焊点内产生交变的应力应变，会 导致焊点的热疲劳失效。针对b g a 焊点而言，它受到上下基板和焊盘间 的热膨胀影响；在热循环过程中，焊点的显微组织会发生晶粒长大、组 织粗化、金属间化合物的生成和长大，产生高的应力应变，进而产生裂 纹。经过大量的学者研究证明，这种热疲劳失效也是s m t 焊点失效的主 要原因，所以焊点质量的好坏程度是影响b g a 焊点可靠性的重要因素， 这种质量方面的考虑因素包括：焊点的材料选用、焊点的几何形态、焊 点的服役条件、焊点的内部缺陷等。另外，b g a 封装形式决定了其焊点 质量的检测比较困难，不宜进行局部焊点的返修，焊点热膨胀因素的影 响更加突出。 1 1 3 3 利用有限元方法对b g a 焊点进行疲劳分析 对于可靠性的预测与评估，要追溯到19 56 年11 月r c a ( r a d i o c o m p a n yo fa m e r i c a ) 公司发布的t r 1 10 0 标准，该标准介绍了元器件失 效的计算值模型。此后，美国军方根据其第二次世界大战中在电子产品 供应方面出现的各个生产商标准不同的问题也发布了m i l h d b k 217 可 靠性预测手册。m i l h d b k 2 17 规定，不论其使用环境、应用场合、所 用材料、系统结构、器件功耗、制造工艺或制造商，所有的单片集成电 第一章绪论 路的失效率都是每百万小时o 4 个失效。但是随着电子工业的迅猛发展， 这个标准及其衍生标准逐渐不能有效预测电子产品的可靠性了。例如利 用m i l h d b k 217 对6 4 k 随机存储器r a m 计算出的平均故障间隙时间 ( m t b f ：m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e ) 是13 秒，此结果超过了器件实际 的m t b f 几个数量级r i o 。随后，一种替代方法一一失效物理分析( p h y s i c a l o ff a i l u r e ) 在日本、台湾、新加坡、马来西亚、英国国防部和许多美国 领先的商业电子公司等得到了应用，这种方法使用基于失效机理、失效 模式和失效应力根本原因的分析的可靠性评估技术，它已经被证明对预 防、检测和校正与产品设计、制造、运行相关的失效是非常有效的。通 过了解可能发生的失效机理，我们可以发现新型或现有技术中潜在的问 题，并在发生问题之前解决它们。而这其中的失效机理是由基本的机械、 电子、热和化学过程所决定的，它的分析过程为：了解客户需求和供应 商能力一明确产品使用环境和工作条件( 通过测量手段或客户指定) 一 计算机应力模拟一通过所选材料和结构对应力的响应来分析确定可能的 失效位置、失效形式和失效过程一利用结果预测寿命一通过改进来提高 寿命。 由于b g a 封装中的焊点几何尺寸很小且密集排布，因而用一般的实验 方法难以对热循环过程中焊点的应力、应变进行实时检测，并且测试耗 费时间长，检验设备价格昂贵。理论方法( 如有限元分析方法) 可以对 复杂加载条件下焊点中的应力、应变分布及其时间历程进行详尽的描述， 是评价焊点可靠性的重要途径 。从二十世纪六十年代开始，有限元方 法便被应用在了各种工业领域，到了八十年代以后，它被广泛应用在了 电子工业中来研究塑料封装芯片的热性能和热机械行为3 。有限元的计 算步骤：问题及求解域定义( 物理性质和几何区域) 一求解域离散化( 有 限元网格划分) 一确定状态变量及控制方法一单元推导一总装求解一联 立方程组求解和结果解释 。 广东工业大学硕士学位论文 1 2 本领域研究综述 对于无铅b g a 焊点的模拟仿真研究，国内外从焊点材料的选用、本 构方程( c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ) 的建立、计算机模型的建立、寿命分析方 法、寿命模型的建立、缺陷研究等方面都进行了相关的研究。 1 2 1 无铅材料及本构方程的研究 ( 1 ) 无铅材料 文献 0 7 讨论了共晶s n a g c u 焊点的显微组织结构和影响其显微组 织结构的一些因素，包括机械性能、热疲劳机理和界面反应等，给出了 可以通过改变s n a g c u 合金的元素配比来提高无铅焊点可靠性的解决方 案。减少a g 的含量( o 7 0 9 ) 会导致大量杆状的c u 6 s n 5 的形成，同时增加了固液温度相线的差， 后者会致使焊点剥离( f i l l e t 1 i f t i n g ) 程度的增加。文献 13 利用数字图 像相关技术( d i c ：d i g i t a li m a g ec o r r e l a t i o n ) ，并结合光学显微设备， 研究了无铅s n a g c u 焊点的失效机理，指出了焊点固化过程中出现的不 同的金相组织使其产生了各向异性，在各个方向上的温度膨胀系数和杨 氏模量并不相同，裂纹的萌生和传播会受到那些大的金相组织的影响。 文献 0 8 通过剪切试验和拉伸蠕变试验研究了共晶s n 3 5 a g 焊料在2 5 18 0 的力学性能，结果表明位错攀移机制伴随着整个蠕变过程，并 且有相对大的应力指数，同时蠕变的激活能对比纯锡自扩散的激活能要 小的多。文献 14 研究了焊盘附着a u n iu b m 的s n 3 5 a g 和加稀土元素 的s n 3 5 a g 合金焊料在15 0 超过10 0 0 小时的热老化后界面显微组织的 演变和焊点所承受的剪切应力，研究结果表明回流焊工艺中a u 会溶入焊 料中，并形成a u s n 。化合物；加入稀土元素后限制了b s n 和a g 。s n 的生 第一章绪论 长；ni 。s n 。层形成在ni 金属层内，加入稀土元素后n i 。s n 。晶粒尺寸会小 很多，这有助于焊点长期的可靠性；加入稀土元素后，s n - 3 5 a g 的剪切 应力得到了加强，对于长期的高温区工作的焊点这种剪切力更加地稳定。 文献 15 也针对s n - 3 5 a g 焊料和不同的u b m ( u n d e rb u m p i n g m e t a l l i z a t i o n ) 层在焊接工艺中的界面反应和力学性能，研究结果同样表 明s n 3 5 a g 在回流焊工艺中会从u b m 层中吸收c u 或n i ，只有在整体 组装工艺完成后，无铅的焊料成分组成才会稳定下来；s n 一3 5 a g 金属间 化合物的生长速度要比含铅的焊料快；u b m 凸块的尺寸对于力学性能是 一个关键的因素；随着回流焊时间的增长，界面特性会变弱，增加金属 层的厚度能够缓解这种因素。文献 16 研究了ni 微粒加入s n - 3 5 a g 焊 料后，对其性能的影响，结果显示这种方法司以提高焊点的剪切性能， 焊点内部的金属间化合物c u 。a g 。会逐渐消失。而表面的金属间化合物会 由扇状变得平坦。文献 17 通过和含铅焊料的对比研究了s n 一3 5 a g 焊点 在温度循环过程中板级的可靠性，结果表明s n 一3 5 a g 相对于s n p b 焊料 有全面的优越性。 对于焊点材料的无铅化，国内众多大学和科研机构都进行了研究。 张建智、易丹青研究了s n a g c u z n 和s n - a g - b i 两种无铅合金材料，考 察了z n 和b i 含量的变化对两种材料微观结构、物理性能和机械性能及 界面行为的影响，最后得出结论s n 一4 7 a g 1 7 c u 一1 0 z n 和s n - 3 5 a g - 5 0 b i 无铅合金的综合性能优良，具有进一步研究和开发的价值1 0 6 。蒋海荣、 余永宁对五种不同成分的无铅焊料合金( s n 0 7 c u 、s n 3 5 a g 、 s n 4 0 a g 0 5 c u 、s n 3 4 a g 4 8 b i 、s n 5 8 b i ) 详细研究了其在不同温度和 不同应力水平下的拉伸性能，并和s n 37 p b 合金的性能进行了对比，得 出结论：从力学性能上来比较，合金s n 3 5 a g 和s n 4 0 a g 一0 5 c u 两种合 金显示出更好的蠕变性能和疲劳性能，是替代s n 37 p b 不错的无铅焊接 材料；s n 3 4 a g 4 8 b i 的疲劳性能非常差；只有s n 0 7 c u 的抗拉强度低 于s n 3 7 p b t i8 1 。 ( 2 ) 本构方程 本构方程，也称为状态方程，是描述一大类材料所遵循的与材料结构 广东工业大学硕士学位论文 属性相关的力学响应规律的方程，不同材料以不同的本构方程表现其最 基本的物性，如理想气体的本构方程为p 矿：_ _ mr r ；牛顿流体的本构方程 p 为盯= r 。y ；胡克弹性体为1 3 = e e 。不同本构方程实质上是研究各自材料 性质的基础理论一如气体理论、流体理论、弹性理论的最根本出发点】。 当前描述焊点材料在热循环过程中的本构方程主要有两种方法：一 种是分别以独立的方程来描述弹性变形、塑性变形和蠕变变形三个阶段， 然后将三个阶段的应变相加，从而求出总应变；另一种是用统一的本构 方程来描述整个变形过程。 在将焊点变形分为三个阶段来考虑的文献 0 3 1 0 6 中，弹性应变常应用胡 ，r 、一 克定律来计算，塑性应变一般采用r a m b e r g o s g o o d 方程，即：，= 么l 上l ， 。t , a 0 ) 式中s 。为塑性应变，么为材料常数，f 为剪切力，仃。为屈服剪切力。主要 的区别在于蠕变阶段采用的方程，这些方程包括n o r t o n 型、a r r h e n i u s 型 1 0 6 、d a r v e a u s x 双曲正弦型1 2 0 、w i e s e 双指数型】等。它们采用不同的幂 次法则，从不同程度考虑了高低应力条件下的蠕变行为，同时考虑应力 指数和活化能的温度依赖性，对蠕变阶段的行为作出了数学描述。 i ：n o r t o n 型 y 。= b r ”e x p ( 一番) ，式中y 。为蠕变应变率，b 为材料常数，以为应力指 数，q 为活化能，足为玻尔兹曼常数，丁为绝对温度。这个方程一直被用 来评估s n p b 焊点的稳态蠕变，然而它不能解释焊点承受高应力的情况， 并且也不能解释应力指数和活化能的温度依赖性等问题1 0 6 。其他如d o r n 型、w e e r t m a n 型也采取与n o r t o n 型相似的形式来描述稳态蠕变规律。 i i ：d a r v e a u x 双曲正弦型 咖。，西= 彳等 s ；n ( 唁 ”e x p ( 一番 ，式中彳为材料常数，a 为温度依赖 参数。在低应力( a r g ， 广东工业大学硕士学位论文 s + 卡唧c 导，丁 上式中：h 。是强化常数，a 是强化系数的应变率敏感度，符号s 表示 给定温度和应变率时内部变量的饱和值，s 是系数，2 是指数。 在上述粘塑性a n a n d 本构方程中，共有9 个材料参数：a 、q 、毒、 聊、h o 、j 、，z 、a 以及初始形变阻抗s o 。 1 2 2 焊点形态模拟 焊点形态与焊点的力学行为紧密相关，直接影响焊点的性能和可靠 性。近年来，国内外在焊点形态模拟方面发表了大量的论文：2 0 0 4 年， 伦敦 g r e en w ic h 大学的c b a i1e y 等发表论文，通过p h y s c a l i l t lti - p h ysic s c od e 有限元方法分析了低温条件下易制备的焊料 is o t r o picc o n d uctiv ea d h esive 对于倒装芯片( f lipc h ip ) 焊点可靠 性的影响，实验表明通过增加焊料体积，增长铜柱( c o p p e rco lu m n ) 半 径，确保铜柱周围较小的润湿性可以提高可靠性“。同样在20 0 4 年，英 飞凌新加坡公司的a 1f r e dy e o 等通过2 d 和3 d 的有限元模型研究了倒装 芯片焊点的疲劳寿命，研究结果表明2 d p la n e 应力模型预测的寿命要高 于2 d p la n e 应变所预测的；2 d a x is y m m e t r y 、3 d sl ic e 和3 d o c t a n t 预测的寿命介于2 d - p la n e 应力和应变模型之间“。 在国内，文献 0 2 中利用a n s y s 模拟软件对b g a 焊点几何尺寸变 化对寿命的影响进行了研究，分别考虑p c b 焊盘半径变化、基板焊盘半 径变化、基板与p c b 焊盘半径同时变化、焊点高度变化、基板厚度变化、 p c b 厚度变化六种状态，得出了其它条件一定时，上下焊盘半径相等会 取得比较好的热循环寿命。文献【2 4 利用a ns y s 有限元分析软件建立了 第一章绪论 芯片叠层球栅阵列尺寸封装的1 4 三维模型，对比了含铅s n 36 p b 2 a g 和无铅s n 3 8 a g 0 5c u 的焊点寿命，得出了无铅焊料抵抗热疲劳载荷的 能力要大于含铅焊料。文献 2 5 】建立了p b g a 器件的1 8 模型，并对模型 做了相应地简化处理，忽略金线、粘结层、基板中的铜导线等，焊点采 用a n a n d 本构模型，经过有限元分析计算，得出了产生较大位移的焊点 位于基板边缘，这些位置的焊点承受着很大的剪切力，最容易发生失效； 同时发现最大应力和塑性应变位置位于1 8 对角方向上芯片下方的第二 个焊点，最大应力和塑