（材料加工工程专业论文）表面组装焊点的热力行为研究.pdf

摘要 摘要 本文采用粘塑性材料模式描述s n p b 钎料的力学本构响应，研究钎焊焊点在 热载荷作用下的应力应变行为。采用有限元方法研究了焊点形态( 鼓形、凹形、 柱形) 在热载荷作用下对焊点应力应变的影响，以及焊盘面积大小、焊点间距和 焊点的排列方式对焊点的应力应变的影响。 研究发现，在热载荷作用下，鼓形、凹形及柱形钎料焊点的最大应力应变 分布大致相同，均在钎料球的外边缘。本文把芯片、焊料球和基板作为一个整体 模型分析时，发现最大v o nm i s e s 等效应力在陶瓷芯片与焊料结合面中心的陶瓷 芯片上，最大v o n m i s e s 等效应变在焊料与基板结合面的焊料球的外侧。而只对 钎料焊球分析时，最大v o nm i s e s 等效应力应变都在焊料与基板结合面的焊料外 侧处。这说明钎料焊球在表面贴装的钎焊结构中受到的热应力应变不是最大， 最大的热应力应变分别在芯片和基板上。 在其他条件不变的情况下( 如材料参数、载荷、焊点高度、焊盘面积) ，本 文只改变鼓形焊点的弧高时，结果发现，弧高越大，在热载荷作用下产生的最大 v o n m i s e s 等效应变越大。相同原理下，只改变凹形焊点的弧低，则有，在热载 荷作用下其最大v o nm i s e s 等效应交相互比较的结果是：凹低0 2 凹低0 4 凹低 0 1 。柱形焊点在工程生产中也占有一定的比例，在只改变柱形焊点的柱高时， 其他条件不变( 如材料参数、载荷、焊盘面积) ，在热载荷作用下，随着焊点柱 高的增加，焊点的最大v o n m i s e s 等效应变先是增加后来是减小。在研究焊盘面 积对焊点的应变影响时，不变其他条件( 如材料参数、载荷、焊点形态和焊点高 度) ，只改变焊盘的面积，研究发现的结论与只改变拄高的结论相同。在材料参 数、焊点高度、焊盘面积和载荷相同的条件下，还比较了鼓形、柱形和凹形焊点 三种形态的焊点中凹形焊点的最大v o n m i s e s 等效应变最小。在研究焊点间距对 焊点的应力应变影响时发现，焊点间距与最大应变成正态分布，即间距越小和间 距越大焊点的最大等效应变越小。 现有焊点都以等间距矩形排列，本研究设计一种正六边形焊点排列方式，发 现在不改变焊点间距的情况下，正六边形焊点排列方式的排列密度要比等间距矩 北京工业大学工学硕士学位论文 形排列方式的排列密度高，且在等载荷作用下，正六边形焊点排列方式的最大应 力应变要小于等间距矩形焊点排列方式。 关键词电子封装焊点；有限元分析； 焊点形态；可靠性 摘要 a b s t r a c t a n a n d v i s c o p l a s t i cc o n s t i t u t i v e m o d e li su s e dt od e s c r i b et h eb e h a v i o ro fe u t e c t i c b g as o l d e r ( p b 9 0 s n l 0 ) w i t ht h ec h a n g eo fs o l d e rj o i n ts h a p ei n c l u d i n gd r u m ， c o n c a v ea n dc o l u m n , u n d e rt h et h e r m a ll o a d i n g ，s t r e s s s t r a i nd i s t r i b u t i o ni ss t u d i e di n f e m a n da l s ot h er e l a t i o n so f p a ds i z e ，s p o ts p a c i n ga n dd i s t r i b u t i n gp a t t e m o ft h e s o l d e r j o i n tt os t r e s s s t r a i nd i s t r i b u t i o na r ci n v e s t i g a t e d t h e r e s e a r c hf i n d s ： 1 w h a t e v e rs h a p e so f s o l d e r j o i n t s ，u n d e rt h et h e r m a ll o a d i n g ，t h ed i s t r i b u t i o no f t h el a r g 韶te q u i v a l e n tv o nm i s e ss 廿e s “s 廿a i na r ea l la p p r o x i m a t e l ys a n l ew h i c hi si n t h eb r i mo fs o l d e rc l o s et ot h ej o i n to fs o l d e ra n dp c b b a s e do nt h ea n a l y z i n gt h e w h o l em o d e l t h er e s e a r c h 血d st h a tt h el a r g e s te q u i v a l e n ty o nm i s e ss t r e s si si nt h e c e n t e ro f s i l i c o nw h i c hi st h e j o i n to f s i l i c o na n ds o l d e r , a n dt h el a r g e s te q u i v a l e n t v o n m i s e ss 仕a i ni sd i s t r i b u t e da r o u n dt h eb r i mo fs o l d e rc l o s et ot h ej o i n to fs o l d e ra n d p c b a n df o rs o l d e r , b o t ht h el a r g e s te q u i v a l e n tv o nm i s e ss t r e s sa n ds t r a i na r e d i s t r i b u t e dt h eo u t e ro fs o l d e rc l o s et ot h ej o i n to fs o l d e ra n dp c b t h el o w e rt h e h e i g h t o f a r e i s ，a n d t h es m a l l e r t h e d e p t h o f a r c i s ，t h e b e t t e r r e l i a b i l i t y o f s o l d e r j o i n t s h a s 2 u n d e rt h et h e r m a ll o a d i n g ，t h ec o n c a v e j o i n ti st h em o s tr e l i a b l ea m o n ga l l s h a p e so f s o l d e r j o i n t s 3 u n d e rt h et h e r m a ll o a d i n g ，t h el a r g e s te q u i v a l e n tv o nm i s e ss t r a i no fs o l d e r j o i n t si sr e d u c e d a st h ed e c r e a s eo f t h e p a d s i z e t h ed i s t r i b u t i o nc u r v eo f s p o ts p a c i n g a n ds t r a i ni sn o r m a l ，t h a ti st os a y , s m a l l e ra n dt h el o n g e rd i s t a n c eb e t w e e ns o l d e r j o i n t sh a s t h es m a l l e r t h e l a r g 髓te q u i v a l e n tv o n m i s e ss t r a i ni s 4 a t p r e s e n ts o l d e rj o i n t sa r ed i s t r i b u t e dw i t he q u i d i s t a n ts q u a r ea r r a y as o r to f s o l d e r j o i n t s t h a ti sa r r a n g e db y r e g u l a rh e x a g o na r r a ym o d e i ss t u d i e d i ti sf o u n dt h a t t h ep a c k i n g d e n s i t yo f r e g u l a rh e x a g o na r r a y , w i t hn oc h a n g eo f t h ed i s t a n c eb e t w e e n s o l d e r j o i n t s ，i sh i g h e rt h a nt h a to f t h es o l d e r j o i n t sw i t he q u i d i s t a n ts q u a r ea r r a y , a n d 一 北京工业大学工学硕士学位论文 u n d e rt h et h e r m a ll o a d i n gt h el a r g e s te q u i v a l e n tv o n m i s e ss t r e s s s t r a i no ft h es o l d e r j o i n t sw i t hr e g u l a rh e x a g o na r r a y i sl e s st h a nt h a to f w i t he q u i d i s t a n ts q u a r e k e y w o r d se l e c t r o n i cp a c k a g i n g s o l d e r j o i n t s ； r e l i a b i l i t yo f e l e c t r o n i cp a c k a g i n g ； i v s h a p eo f s o l d e r j o i n t s ； f i n i t ec l e r n c n t a n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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。 签名 日期：坦丝垄：之 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公靠论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 盟0 日期：盘垒：尸 第l 章绪论 1 1 微电子封装的发展 1 1 1 引言 第1 章绪论 以集成电路( i c ) 技术为核心的微电子飞速发展，是近三十年社会不断进步 的重要因素。高密度、高可靠性是微电子技术发展的方向。现在，人们正实实在 在地跨入多媒体及网络世界。许多跨国公司正在集中力量开发将信息、通信、家 电融合为一体的电子设备。不言而喻，个人便携化( 小型、轻量、薄型) 、高速度、 数字化、高功能、大容量、低价格已成为这类电子综合设备的战略发展目标。人 们普遍追求的”更小、更方便、更便宜”已成为上述综合信息、通信、家电功能为 一体的电子设备生产厂家的竞争重点。 作为上述综合电子设备的基本要素，半导体集成电路( i c 、l 芯等) 技术在 实现高速、大容量、高功能等方面进展迅速。正是在电子设备的轻、薄、短、小 化和集成电路芯片性能的飞速提高这两个车轮的带动下，电子封装得以迅速发 展，近年来，一直处于配角地位的电子封装正一跃成为关键角色，共同扮演这种 角色的键合、连接、封接、封装、安装以及基板、接口、评价检查等相关技术、 设备和材料正在迅速发展和确立之中。 1 1 2 电子封装技术发展简介 图1 - 1 给出半导体封装的种类、特征随时间的变迁，横轴表示年代变化，纵 轴表示封装的引脚数。 2 0 世纪5 0 年代以前为真空管时代，从1 9 4 8 年三极管的发明经过l o 年，到 6 0 年代进入三极管时代，又大约分别经过1 0 年，依次进入i c 时代( 7 0 年代) 、l 芯时代( 8 0 年代) 、超大规模集成电路( v l 芯) 时代( 9 0 年代) ，2 1 世纪初跨入特大 规模集成电路( u l 芯) 时代【1 1 。 从图1 - 1 可以看出，新的封装类型层出不穷。三极管时代的封装仅3 个引脚。 但随着集成度按摩尔定律以3 年4 倍的速度增加，以及引脚数按r e n t 定律增加， 北京工业大学工学硕士学位论文 半导体封装的引脚数迅速增加。同时，伴随着电子设备向轻、薄、短、小化方向 发展，人们对封装小型化、高密度的要求越来越高，新的封装类型可以说是层出 不穷。 l 0 箍 墓l 0 l 1 9 5 01 9 6 0 1 9 7 01 9 8 0 1 9 9 02 0 0 0 年份 图1 1 半导体封装的种类、特征随时间的变迁 1 】 2 0 世纪7 0 年代i c 时代的封装是d i p ( d u a l i n - l i n ep a c k a g e ) ，实装是d i po n p w b ， 即i c 封装的引脚插入印制线路板的通孔中，由浸锡法进行钎焊实装。 当时还出现了较为小型化的s - d i p ( s h r i n k - d i p ) 封装。 随着2 0 世纪7 0 年代末表面贴装技术( s m t ，s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ) 的出 现，在8 0 年代l 芯时代，半导体封装器( s m d ，s u r f a c e m o u n t d e v i c e ) 问世，其典 型代表是s o p ( s u r f a c eo u t - l i n e p a c k a g e ) 。在此时代，表面贴装型的带有引脚的各 种小型封装纷纷问世。为了追求逻辑器件的小型化，出现了t s o p ( t h i n s m a l l o u t l i n ep a c k a g e ) 、v s o p ( v e r ys m a l lo u t - l i n ep a c k a g e ) 、u s o p ( u l t r as m a l lo u t - l i n e p a c k a g e ) 等：为了追求存储器件的小型化，出现了p l c c ( p l a s t i c l e a d e dc h i p c a r d e r ) 、s o j ( s m a l lo u t - l i n e j - l e a d p a c k a g e ) 等。对于可靠性要求极高的用途，多 采用无引线封装，如以陶瓷为芯片载体的l c c c ( 1 e a d l e s s c e r a m i c c h i pc a r r i e r ) 等； 对于1 0 0 针以上的多引脚用途，出现了陶瓷或塑封的针脚插入型p g a ( p i n g r i d 第l 章绪论 a r r a y ) 。该时代的特点是，电子封装呈现多样化状态。 进入2 0 世纪9 0 年代v l 芯时代，为对应多引脚的要求，出现了将引脚布置 于封装四边的q f p ( q u a d f l a tp a c k a g e ) $ f = t t c p ( t a p ec a l t i e rp a c k a g e ) 等，其引脚节距 按1 2 7 r n m 一0 8 m m - - 0 6 5 m m 一0 5 r a m - - 0 3 m m 逐渐变窄。但是，节距小到 o 2 5 m m ，由于存在引脚端子的共面性、对中等问题，大大增加了实装工艺的难 度，引脚节距很难再窄。因此，仅靠周边端子结构实现多引脚有一定极限。为了 解决这一问题，出现了表面贴装型的b u t t - p g a ，引脚节距由插入型p g a 的 2 5 4 m m 减d , nb u t t - p g a 的1 2 7 r a m 。 2 0 世纪9 0 年代末，电子封装进入新的转型期，其特点是以2 1 世纪超高集 成电路元件的封装为目标，满足小型化、多引脚的要求。周边布置引脚的封装正 逐渐由平面阵列布置引脚的表面贴装型封装所代替。世界各大电子公司都集中力 量开发b g a 、c s p 等超小型、超多引脚的高密度封装形式。依所用材料、结构 等不同，各公司采用的名称也不尽相同。如在b g a 中有p b g a ( p l a s t i c b g a ) 、 t b g a ( t a p eb g a ) 、c b g a ( c e m m i eb g a ) 、p b g a ( f i n ep i t c hb g a ) 、f c b g a ( f l i p c h i pb g a ) 等：在c s p 中有挠性基板i j _ b g a 、陶瓷封装基板l g a 型c c s p 、薄膜 型c s p 、少端子c s p b c c 、d 2 b g a 型c s p 、叠片式c s p 、w l p c s p 等。 进入2 1 世纪，多端子、窄节距、高性能的f c b g a 、各类c s p 以及三维封 装成为人们研究开发的重点f 2 】。 1 1 3 封装类型 根据美国乔治亚理工学r a o r t u m m a l a 等主编的微电子封装手册中的定 义，封装具有四种主要作用 3 , 4 1 ：( 1 ) 信号的输入、输出端向外界的过渡手段：( 2 ) 电源的输入、输出端同外界的过渡手段：( 3 ) 散热；( 4 ) 保护器件不受外界环境 的影响。因此集成电路封装是指将具有一定功能的集成电路芯片，放芯片在一个 与之相适应的外壳容器中，为芯片提供一个稳定可靠的工作环境；同时，封装也 是芯片各个输出、输入端的向外过渡的连接手段，以及起将器件工作所产生的热 量向外扩散的作用，从而形成一个完整的整休，并通过一系列的性能测试、筛选 和各种环境、气候、机械的试验，来确保器件的质量，使之具有稳定正常的功能。 电子封装发展总的原则是，在保证可靠性的前提下提高信号传输速度，提高 北京工业大学工学硕士学位论文 功率，提高散热能力，增加i o 端口数，减少器件尺寸，降低生产成本。目前， ic 封装概念已由器件封装扩展为电子封装，即包括从芯片到组装在印刷电路板 ( pcb ) 的全过程。理论上，晶片规模集成( wsi ) ，即在一个晶片上制作 出整个系统或次级系统并进行封装，最后切割开来成为一个个器件，是最理想化 的微电子封装。然而，由于集成电路工艺技术所限，导致wsi 成品率低，迄今 为止，微电子产业一般仍采用先将晶片划分为一系列单个芯片：在进行各个芯片 各自封装后，再进一步组装成系统，因此形成了微电子封装系统中的多级封装组 装体系。图1 2 示出了前三级封装组装层次图例，第一级为芯片级封装，第二级 为电路板( 或卡) 级组装，第三级为母板级组装。尽管晶片没有包括在图中的封 装层次里，但是集成电路芯片取自于整块晶片。如何实现一个芯片( 或多个芯片) 有效、可靠地封装，己成为微电子技术发展的一个重要方面。本节按封装与芯片 的关系，分为芯片级互连、一级封装、二级封装等方面进行阐述。 图1 - 2 电子封装系统中前三级封装组装层次示意图【2 l a 芯片级互连 引线键合( w i r eb o n d i n g ) ，倒装焊( f l i pc h i p ，f c ) 和载带自动焊 ( t a p e 4 第l 章绪论 a u t o m a t e db o n d i n g ，t a b ) 是芯片和封装互连通常采用的三种技术。具体取决于 芯片和基板上的i o ( i n p u t o u t p u tt e r m i n a l ) 端口数目和间距以及所允许的成本。引 线键合和载带自动焊的i o 端口数目最大约为1 0 0 0 ，而倒装焊的i o 端口数目可 多达1 6 0 0 0 。 引线键合即通常所说的丝焊法，即用金丝或铝丝实行金一金键合，金 铝键合或铝铝键。因为它们都是在一定压力下进行焊接，所以又称键合为压 焊。到目前为止，芯片周边“o 端口数的单排或双排连续的引线键合已经能满足 逻辑电路的陶瓷和塑料封装的需要。自动引线键合的速度非常快，效率非常高， 可靠性亦好。若再在多i 0 端口数目下又要保持小的芯片尺寸，周边排布的间距 就必须更细( 1 9 9 6 年就已达到5 0 0 - - - 6 0 0 个连接点) 。这就必须用t a b 键合来取 代引线键合。一方面，周边焊接到面阵焊接的c 4 ( c o n t r o l l e dc o l l a p s ec h i p c o n n e c t i o n ) 结构。芯片的整个表面被c 4 所覆盖，其最高f o 数可达到2 0 0 0 - - 3 0 0 0 。 c 4 和t a b 都需要在芯片表面形成凸点，这也是此技术的关键点之一。 b 一级封装 一级封装是指芯片级封装，即将芯片封装以形成器件，所以又称器件封装。 最基本的集成电路器件封装是指将一个具有一定功能的集成电路芯片，放置在一 个与之相适合的外壳容器或保护外层中，为芯片提供一个可靠的工作环境和与外 部的机械连接和电学连接。同时，封装也是芯片各个输出、输入端向外过渡的连 接手段，从而形成一个完整的器件，并通过一系列的性能测试、筛选，以及各种 环境，气候和机械的试验，来确保集成电路的质量。因此，器件封装的目的在于 提供芯片与外界的连接并保护芯片不受外界环境的影响。 在过去的3 0 多年中，一级封装可分为两类：包含单个芯片，叫做单芯片模 块( s c m ) ；能支持多于一个芯片，叫做多芯片模块( m c m ) 。最后，电子封装将 发展为系统级集成模块( s l i m ) ，其中几种常见的典型技术介绍如下： ( 1 ) 针栅阵列封装 针栅阵列( p g a ，p i n g r i da r r a y ) 封装也叫插针网格阵列封装技术，由这种 技术封装的器件有多个由内至外的方阵形的插针，每个方阵插针沿芯片的四周间 距排列，根据管脚数目的多少，可以围成2 3 圈。安装时，将器件插入专门的 北京工业大学工学硕士学位论文 p g a 插座。为了使得c p u 器件能够更方便的安装和拆卸，从4 8 6 芯片开始，出 现了一种z i f c p u 插座，专门用来满足p g a 封装的c p u 在印刷电路板上安装和 拆卸的要求，该技术一般用于可能出现多次插拔器件的场合。 ( 2 ) 球栅阵列封装 球栅阵列( b g a ) 封装的英文全称为b a l lg r i da r r a yp a c k a g e ，中文含义为 球橱阵列封装技术，该技术一出现便成为c p u 主板商等对高密度、高性能、多 引脚封装的最佳选择。但b g a 封装占用基扳的面积还比较大。虽然该技术采用 o 引脚数增多，但引脚之间的距离大于q f p ，从而其组装成品率比用同引脚 q f p 反而有所提高。而且该技术采用了可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的 散热性能。另外该技术的组装可用共面焊接，从而能大大提高封装的可靠性【5 】； 并且该技术实现的封装c p u 信号传输延迟小，适应频率可以提高很大。 ( 3 ) 芯片尺度封装 芯片尺度封装技术( c s p ，c h i ps c a l e p a c k a g e ) 的出现主要是为了减少芯片 封装外形的尺寸，它一般要求封装面积小于1 5 倍的芯片面积。它分为引线框架 改进的c s p 、软衬底c s p 、硬衬底c s p 和硅片级c s p 共四类。使用该技术可以 近似做到裸芯片尺寸有多大，封装尺寸就仅有多大。芯片尺度封装的封装效率超 过b g a 。因为该技术封装的c p u 芯片面积与封装面积比值很小，因此这种类型 c p u 工作频率也比较高，而且这种类型的c p u 还可以满足芯片i o 引脚不断增 加的需要，同时在时间的延迟方面也有着很好的表现。 c 二级封装 二级封装是指将元器件连接在印刷电路板上。它有三种基本连接类型：一种 是引脚需要插入通孔( p t h ，p i n - t h o u g h t - h o l e ) 的引脚插入类，另一种是引脚 表面贴装类，它使用表面贴装技术( s m t ) 实现表面贴装器件( s m d ) 和印刷 电路板的连接。第三类是b g a ，它使用面阵列形式的焊球代替了引脚。封装组 件包括有逻辑电路和存储器有源芯片的陶瓷或塑料封装器件，和像电容、电阻、 电感等无源元件。从早期的通孔插入封装到八十年代的表面贴装，九十年代后期 的球栅阵列封装和代表未来发展方向的系统集成模块( s y s t e m l e v e li n t e g r a t e d m o d u l e ，s l i m ) 。其中s l i m 是由美国乔治亚理工学院提供的一种新的封装概念， 第1 章绪论 它可以做到真正的系统的集成嘲( 把各芯片、无源元件、各级封装都集成唯一体 积很小的模块) ，是电子封装的发展方向。 q f p 的多端子化在实用方面受到限制，如q f p 的引线间距太窄，应此，采 用替代q f p 的新型多端子l s i 的封装。美国最先开始采用b g a 封装，b g a 封 装采用二维布置的球形焊接端子，与q f p 相比，其端子节距要大的多。b g a 的 生产效率比q f p 高，实际生产线上b g a 的不合格率比之q f p 要低得多。 1 1 3 1b g a 封装介绍 利用元器件上带有焊料凸点( 微球或凸台) 的b g a 技术，本来已在大型计算 机和超级计算机等的c p u 转换器中采用。当时的目标是确保性能可靠，属于贵 重设备上所用的高密度封装技术。 利用焊料凸点进行表面贴装的历史已经很长。最早是把半导体芯片直接连接 在表面贴装基板上，这种裸芯片微互联技术已达到实用水平，并称为倒装片法。 1 9 6 4 年美国m m 公司开始在i b m 3 6 0 系统的混合电路微型组件中就采用了这种 技术。紧接着在1 9 6 9 年，i b m 3 7 0 系统中采用了可以认为是现在焊料凸点连接 法原型的技术，并达到实用化。由于回流加热，焊料凸点熔化达到连接的目的， 1 b m 公司称其为c 4 ( e o n t r o l l e de o l l a p s ec h i pc o n n e c t i o n ) ，该公司把c 4 作为大型计 算机的c p u 的表面贴装技术，全面加以采用。 开始，在采用这种技术时，焊料凸点仅布置在半导体芯片的四周。后来逐渐 发展成目前的平面二维阵列布置。 日本n e c 公司在1 9 8 3 年研制的超级计算机s x - 2 的c p u 中也采用了类似的 技术。首先利用t a b 把l 芯芯片连接在陶瓷基板上，陶瓷基板的底面上布置有 焊盘凸点阵列。n e c 称这种芯片载体为f t c ( f l i p p e d t a bc a r d e r ) 。利用这种焊盘 凸点再与多层陶瓷回路基板相连接。s x - 3 的c p u 也采用同样的表面贴装技术。 日立制作所也在1 9 9 0 年研制的大型计算机m - 8 8 0 中采用了b g a 。利用焊盘 凸点把l 芯芯片连接在陶瓷基板上，此陶瓷基板底面也设有焊盘凸点阵列，目 立称其为m c c ( m i r c oc a r r i e rf o rc h i p ) 。这种芯片载体也由焊盘凸点连接在多层 陶瓷基板上。 2 0 世纪9 0 年代初出现的b g a 封装，按封装基板材料分，主要有四种基本 北京工业大学工学硕士学位论文 类型：p b g a 、c b g a 、c c g a 和t b g a 。为了满足多引脚、高散热能力、高频、 低损耗、小型、薄形等各种特殊需要，每种b g a 都派生出许多新的形式。下面 简要介绍四种基本类型： ( 1 ) 塑封球栅平面阵列封装( p b g a ) p b g a ( p l a s t i cb a l lg r i da r r a y ) 目p 开始人们所说的o m p a c ( o v e r - m o l d e dp l a s t i c a r m yc a r f i e r ) ，是最普通的b g a 封装类型( 图1 3 ) 。p b g a 的载体( e a r r i 神或中 介板( i n t e r p o s e r ，现在称封装基板) 是普通的印刷板基材，例如f r - - 4 、b t 树脂 等。芯片通过金属丝压焊方式连接到载体的上表面，然后用塑料模注成形，在载 体的下表面连接有共晶组分( 3 7 p b 6 3 s n ) 的焊球阵列。焊球阵列在器件底面上可以 呈完全分布或部分分部，通常的焊球直径在o 7 5 o 8 9 m m 范围内，焊球中心距有 0 8 m m 、1 0 r a m 、1 2 7 m m 、1 5 m m 等几种，最小为0 5 m m 。 a )b ) 图1 - 3p b g a 的典型结构 a ) 结构示意b ) 断面结构 p b g a 可以用现有的表面贴装技术( s m t ) 和设备进行实装。首先通过丝网印 刷方式把共晶或准共晶组分的焊膏印刷到相应的p c b 焊盘上，然后把p b g a 的 焊球对应压人焊膏并进行回流焊。因漏印采用的焊膏和封装体的焊球均为共晶焊 料，所以在回流过程中焊球和焊膏共熔。由于器件重量和表面张力的作用，焊球 弹孔坍塌使得器件底部与p c b 之间的间隙减小，焊点固化后呈椭球形。目前， 1 6 9 - 3 1 3 端子的p b g a 已有批量生产，并且已有i o 微球端子数达6 0 0 1 0 0 0 的 试制品。 第1 章绪论 ( 2 ) e b g a ( e n h a n c e db g a ) e b g a 即增强型b g a ，其断面结构如图1 4 所示。e b g a 的结构特点如下。 芯片采用电极面朝下的方式，有利于减小封装高度。封装结构中带有上空腔和下 空腔；前者便于在芯片背面附加金属( 如铜) 散热板，以提高散热性能；后者便 于布置金丝引线。采用多层封装基板，由于它是三维立体布线，故可缩短布线长 度。在多层封装基板中设置接地层，通过阻抗匹配以降低电感。为实现多引脚， 芯片电极可采用分列布置，并采用5 0 ! - tm 以下精细节距的引线键合连接技术。 这种类型的e b g a 具有多端子( 如7 0 0 球以上) 、低热阻( 约i o c w ) ，以及优良的 电学特性( 2 0 0 m h z 以上) 等特点。 图1 - 4e b g a 的断面结构( 芯片电极面朝下型) ( 3 ) 陶瓷球栅平面阵列封装( c b g a ) c b g a ( c e r a m i cb a l l 鲥dm - 8 y ) 通常也称作c b c ( s o l d c rb a l le a r r i e r ) ，是b g a 封装第二种类型( 图l 一5 ) ，最早源于i b m 公司的c 4 倒装芯片工艺。c b g a 的芯 片连接在多层陶瓷载体的上表面，芯片与多层陶瓷载体的连接可以有两种形式： 其一是芯片的电极面朝上，采用金属丝压焊的方式实现连接；其二是芯片的电极 朝下，采用倒装片方式实现芯片与载体的连接。芯片连接固定之后，采用环氧树 脂等灌封材料对其进行封装以提高可靠性，提供必要的机械防护。在陶瓷载体色 北京工业大学工学硕士学位论文 下表面，连接有焊球阵列，焊球阵列的分布可以使完全分布或部分分布两种形式。 焊球尺寸通常为巾0 8 9 m m 组左右，节距因各公司而异，常见的为1 0 m m 和 1 2 7 r a m 。 c c g ac c g ac 8 g a 图1 5 c b g a 和c c g a 的结构比较 ( 4 ) 陶瓷柱栅平面阵列封装( c c g a ) c c g a 也称作s c c ( s o l d c rc o l u m nc e n t e r ) ( 图1 5 所示) ，是c b g a 在陶瓷载 体面积大于3 2 m i n x 3 2 m m 时的另一种形式。与c b g a 不同的是，c c g a 在陶瓷 载体下表面连接的不是焊球而是9 0 p b 1 0 s n 的焊料柱。焊料柱阵列可以是完全分 布或部分分布的，常见的焊料柱直径约o 5 m m ，高度约2 2 1 r a m ，柱阵列节距典 型的为1 2 7 m m 。c c g a 有两种形式：一种是焊料柱与陶瓷载体底部采用共晶焊 料连接；另一种采用浇铸式固定结构。c c g a 的焊料拄可以承受因p c b 与陶瓷 载体的热膨胀系数( t c e ) 不匹配产生的应力【7 】。大量的可靠性试验证实，封装体 面积小于4 4 r a m x 4 4 m m 的c c g a 均可以满足工业标准热循环试验规范i s 。c c g a 的优缺点与c b c 隐非常相似，只是前者的焊料柱比c b g a 的焊球在实装过程中 更容易受到机械损伤，封装体略高，但清洗容易 9 1 。目前有些电子产品已经开始 应用c c g a 封装，但是v o 端子数在6 2 6 - - - 1 2 2 5 之间的c c g a 封装尚未形成批量 生产，v o 端子数大于2 0 0 的c c g a 封装仍在开发中。 ( 5 ) 带载球栅平面阵列封装( t b g a ) t b g a ( t a p e b a l l 鲥d m a y ) ( 结构图如图1 - 6 所示) 又称为a t a b ( a r r a y t a p e 第1 章绪论 a u t o m a t e db o n d i n g ) 或t a b - b g a ( t a p ea u t o m a t e db o n d i n gb g a ) ，是b g a 的一种相 对较新的封装类型，其上表面分布有信号传输用的铜布线，而另一面则作为接地 层使用。载体上的过孔起到了连通两个表面、实现信号传输的作用，芯片凸点通 过采用类似金属丝压焊的连接工艺接到过孔焊盘上，并形成焊球阵列。在载体的 顶面用粘结胶连接着一个加固层，用于封装体提供刚性并保证封装体的共面性。 在倒装芯片的背面一般采用导热胶连着散热板，以提高散热性。在芯片连接方式 上，t b g a 不采用p b g a 的w b 而采用t a b 连接或凸点连接。这种t b g a 封装 一般可以由普通的t a b 技术来实现。t b g a 的焊球组分为9 0 p b l l 0 s n ，焊球直径 约为0 6 5 m m ，典型的焊球阵列节距有1 0 r a m 、1 2 7 m m 、1 5 m m 几种。t b g a 实 装在p c b 板上所采用的为6 3 s r 9 3 7 p b 共晶焊料。t b g a 也可以利用现有的s m t 设备和工艺，采用与c b g a 相似的方法进行实装。 图1 - 6t b g a 的典型结构及特征 1 2 电子封装的可靠性研究 1 2 1 概况 电子封装的可靠性是以评价电子封装体系抵抗器件功能退化的能力来评价 的。在微电子封装的设计中，封装可靠性必须是重点考虑的问题【1 0 】。随着电子 封装复杂性的增加，如果等封装制造出来后才发现设计上的可靠性有问题那就损 失大了。可靠性必须是电子发展中的重要内容，而不是器件开发出来以后的附加 工作。 “可靠性是靠设计、制造出来的”，己成为普遍接受的观点 1 1 , 12 。 北京工业大学工学硕士学位论文 可靠性实验是为评价分析产品，而对受试的样品施加一定的载荷，包括电加 载，热加载，机械加载或其综合。通过试验检查样品的各种性能参数是否仍旧符 合技术指标，从而判断样品是否失效或可靠。常用的机械试验有：机械振动试验， 机械冲击试验，恒定加速度试验；引线强度试验，键合强度试验等。常用的环境 试验有温度循环试验，热冲击试验，高温储存试验，潮热试验，高压蒸汽试验， 密封试验等。还有一些特殊的试验如抗核辐射试验等。另外还有可靠性筛选试验， 它通过各种方法将有质量问题而可能发生早期失效的产品予以剔除和淘汰。 表1 - 1 电子封装主要的失效模式 电信号失效模式物理失效机理 开路引线键合失效 内部微小空洞 接触弹簧蠕变 腐蚀 疲劳裂纹 机械损伤 可分离接触断裂 短路腐蚀 电解枝状晶体形成 引线位移 电解质击穿 环氧树脂性能改善 过热 电路带干扰不稳定接触 不稳定温度分布 器件的可靠性研究验证工作包括可靠性实验及分析，其目的一方面是评价、 鉴定集成电路器件的可靠性水平，为整机可靠性设计提供参考数据，另一方面， 就是要提高产品的可靠性。这就要求对失效产品作必要的分析，找出失效模式， 分析失效机理，研究失效原因，制定纠正和改进措施。此外进行产品失效分析可 以帮助确定何种筛选应能对提高产品的使用可靠性有效1 3 1 。以及用什么筛选条 第1 章绪论 件为最合适等。集成电路封装的主要失效模式见表l l 。常见的失效机理有由芯 片损伤引起的失效，引线键合引起的失效，表面玷污引起的失效，外引线断裂引 起的失效等等。用于失效分析损伤探测的仪器主要有超声显微镜，x 射线显微镜 等无损检测手段以及扫描电子显微镜，透射电子显微镜，电子探计，离子探针， 俄歇电子能谱分析仪，红外热分析仪等。 1 2 2s m t 焊点可靠性研究现状 在s m t 的应用推广过程中，其软钎焊接头( 以下简称焊点) 的可靠性问题， 即在功率循环和热循环中由于电子元件与基板材料之间存在热膨胀失配，使焊点 内部产生应力而开裂，最终导致焊点失效的问题越来越受到人们的关注1 1 4 , 1 5 】。 九八九年在美国j p l s m a g e m a n 宇宙飞船的地面试验中，就发现了表面组装电子 元件焊点的失效1 5 ，1 6 1 。值得注意的是，在s m t 中，焊点既起到表面元件和基板 的机械固定作用，又起到表面元件与基板及其它元件间的电气连接作用，尤其对 于无引线元件，由于焊点大都在元件底部，焊点一旦失效其检查和维修非常困难， 因而s m t 焊点的可靠性问题是目前微电子领域要解决的重大课题，是s m t 能 否被成功运用的关键f 1 7 】。近几年来的历届国际电子元件会议上都把s m t 及其可 靠性问题作为重要内容进行专题讨论，美国机械工程学会出版的电子组装杂志 ( j o u r n a lo f e l e c t r o n i c p a c k a g i n g ) 每年四期中，有一期专门刊登有关s m t 可靠 性研究的内容。 我国的s m t 发展尚处于初始阶段，对其可靠性问题的研究甚少。但随着s m t 在我国的应用推广，其可靠性问题是必然要遇到的重大课题，它将直接影- 响到 s m t 在我国的应用前景，因而开展这方面的研究工作是非常必要的。 目前国外有关s m t 可靠性的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 研制开发新型基板材料，以协调电子元件( 主要是陶瓷封装元件) 与 基板的热膨胀系数( c o e f f i c i e n to f t h e r m a l e x p a n s i o n ，c t e ) ，降低焊点中的热 应力，从而提高焊点的可靠性。 已经研制开发了4 2 n i f e 合金( c t e 5 x 1 0 - 6 * c ) 、c u - 因瓦- - c u 复合板 ( c t e 2 8 1 3 1 0 ) 、c u - m o c u 及石英纤维复合材料等新型基板材料，且取 北京工业大学工学硕士学位论文 得了较好的效果，但由于新型材料制作工艺复杂，价格昂贵，其实用性受到很大 限制。 ( 2 ) 研究和发展预测s m t 焊点热循环失效的基础理论和测试技术，其中包 括钎料热循环条件下本构方程研究、焊点的疲劳寿命预测、焊点失效的加速试验 方法等。 s m t 焊点疲劳寿命的预测一直是国外学者致力研究的课题【竹】。从最初应变 模式的m a n s o n - c o f f i n 方程到损伤积累模式的断裂机制预测模型和能量模型，随 着人们对s m t 焊点可靠性认识的深入，寿命预测模型不断改进，但由于目前对 焊点的失效机制还缺乏明确的认识，现有的模式只能在一定程度上发挥作用，影 响了它在现实条件下的外推。 ( 3 ) 研究和改善s m t 焊点本身的可靠性，其中包括焊点内部应力应变分析、 钎料的成分和性能对焊点可靠性的影响、焊点失效机制的研究等。 应力是导致焊点失效的直接原因 1 8 , 1 9 1 2 0 1 ，钎料性能是决定焊点可靠性的内在 因素2 1 , 2 2 , 2 3 ，明确焊点的失效机制是从根本上解决焊点可靠性的关键。但目前这 方面的研究尤其是有关失效机制的研究还没有取得实质性进展，虽然知道焊点的 失效是一种蠕变，疫劳失效2 4 ，2 5 】，也对一些影响因素进行了研究，但仍不清楚 焊点蠕变疲劳失效的本质。 同时，研究表明，焊点的失效也是特定条件下形成焊点的钎料的蠕变一疲 劳失效问题，因此，改善钎料自身的性能是提高焊点可靠性的重要途径之一【