（材料加工工程专业论文）材料选择对bga焊点热可靠性影响的有限元仿真研究.pdf

摘要 伴随着电子工业的发展，电子封装作为一门独立的新型高技术行业迅速成长 起来。表面贴装技术( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ，简称；s m t ) 作为电子封装 的一项技术突破，被誉为“电子封装技术革命”，它具有诸多优越性。但也存在 着致命的弱点焊点寿命有限、可靠惶较差。尤其是低周热疲劳作为其主要失效 因素得到广泛的关注。然而由于焊点尺寸细小，现有的实验手段无法在热疲劳试 验的同时实时监测焊点的内部应力应变。于是，利用有限元模型的方法进行分析， 成为当前最可行的方法。 不同材料的选择会对最终焊点的应力集中、应力应变分布变化以及焊点的寿 命产生直接的影响，然而目前国内外对该方向还没有研究。本文针对这一空白开 展课题，研究了不同材料选择下b g a ( b a l lg r i da r r a y ) 焊点阵列的可靠性。 研究通过a n s y s 软件，采用统一粘塑性a n a n d 本构方程，首次建立了基于 b g a 焊点形态的三维焊点阵列可靠性分析有限元模型，进行了焊点力学性能分 析，得出了交变热循环作用下，不同基板材料搭配组别s n 6 0 p b 4 0 钎料焊点在各 个时刻的应力应变分布特点以及其随热循环温度改变的变化规律。进一步根据最 危险焊点最薄弱环节应变数据，采用修正的c o f f i n - - m a n s o n 方程预测了不同基 板材料搭配下焊点阵列的疲劳寿命。塑料封装与f r 4 基板组合时焊点的寿命， 是陶瓷封装与f r 4 基板组合寿命的7 倍。若s i 芯片贴装于f r 4 基板上，贝0 其焊 点寿命相当短。s i 芯片贴装于陶瓷基板可以很好的取代它，既可以提高组装密 度，焊点寿命也比前者提高了6 倍。陶瓷封装对陶瓷基板搭配是其中可靠性最好 的，它的焊点寿命最长。综上所述，组装上下基板材料的热匹配性越好，焊点的 热循环寿命越高。 最后采用同样的方法，对陶瓷封装与f r 4 基板组合下无铅钎料一s n 9 6 5 a 9 3 5 焊点的热循环应力应变进行了仿真研究，并与同条件下的s n p b 钎料一s n 6 0 p b 4 0 结果进行了对比，结果显示无铅钎料大大地提高了焊点的热可靠性，热疲劳寿命 是同样情况下s n p b 钎料寿命的4 倍以上。 所有这些研究为今后电子封装不同适用下的材料选择提供了借鉴，具有重要 的实际指导意义。 关键词： 电子封装；b g a ；焊点可靠性；应力应变；热循环；有限元分析；热疲劳寿 命 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ci n d u s t r y , e l e c t r o n i cp a c k a g i n gg r o w su p r a p i d l ya sa ni n d e p e n d e n tn e wh i g h - t e c hc a l l i n g a m o n ga l lt h et e c h n o l o g yo p t i o n s ， s u r f a c em o u n t e dt e c h n o l o g y ( s m t ) i st h ef a s t e s te x p a n d i n go n ew h i c hw a st h o u g h ta s “ar e v o l u t i o no ft h ee l e c t r o n i cp a c k a g i n g ”h o w e v e r , s o m eo ft l l ed i s a d v a n t a g e so f s mc o d $ 1 e c t o r s ，s u c ha si n a d e q u a t ea v a i l a b i l l t ya n di t sl e s sr e l i a b l es o l d e rj o i m s ，a e a l s oe x i s t i n gi n s t e a do fm a n ya d v a n t a g e so fs m c o n n e c t o r s g e n e r a l l y , t h el o w - c y c l e f a t i g u ei n d u c e db yt h e r m a lc y c l ei s 也em a j o rc o n c e r ni nt h er e l i a b i l i t yo fs m t d u e t ot h ef r e e s m a l ls o l d e ri o i n td i m e n s i o n ，e x i s t i n ge x p e r i m e n tm e a s u r e sc a n tb eu s e d t om o n i t o rt h es t r e s sa n ds t r a i no fs o l d e ri r m e r , w h e nt h e r m a lf a t i g u ee x p e r i m e n ti s p r o c e s s i n g s o t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la n a l y s i si st h em o s tf e a s i b l em e a n s d i f f e r e n tc h o i c eo fm a t e r i a lh a sad i r e c ti n f l u e n c eo nf i n a lc e n t r a l i z e ds t r e s s ， s t r e s s s t r a i nd i s t r i b u t i o n c h a n g ea n di i r eo fs o l d e ri o i n t s h o w e v e ri n t e m a t i o n a la n d d o m e s t i cs t u d i e sa r e n ty e tt o w a r dt h i sd i r e c t i o na tp r e s e n t t h i st e x tl a u n c h e st h e s u b j e c tt om i sb l a n kt or e s e a r c hi nt h er e l i a b i l i t yo f t h es o l d e r o i n to f b g a ( b a l lg r i d a r r a y 、u n d e rd i f f e r e n tm a t e r i a lc h o i c e f o rt h ef i r s tt i m e t h eg e o m e t r i c a lm o d e lf o rm e c h a n i c a la n a l y s i so ft h es o l d e r j o i n ti sb u i l td i r e c t l yf r o mt h r e e d i m e n s i o n a ls h a p em o d e lo f 协eb g ab ya n s ：y s s o f t w a r e a nu n i f i e dv i s c o p l a s t i cc o n s t i t u t i v el a w , t h ea n a n dm o d e li sa p p l i e dt o r e p r e s e n tt h ei n e l a s t i cd e f o r m a t i o nb e h a v i o rf o rs n 6 0 p b 4 0s o l d e r t h em e c h a n i c a l p e r f o r l t l a n o ei sa n a l y z e du s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d n l cd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fs t r e s sa n ds t r a i ni ns o l d e rj o i n to r eg i v e na te v e r yt i m eo ft h e r m a lc y c l e b e s i d e s ， t h ev a r i e t yr u l eo fs t r e s sa n ds t r a i nw i t ht l l e r m a lc y c l ei sa c q u i r e d m o r e o v e r , b a s e do n t h es t r a i nd a t ao f 也ew e a k e s ts i t eo ft h em o s td a n g e r o u ss o l d e rh a l li nt h ea r r a y , f a t i g u el i r eo ft h e r m a l l yl o a d e db g a s o l d e ri o i n t si sp r e d i c t e du s i n gt h em o d i f i c a t i v e c o 伍n - m a s s o ne q u a t i o na n dr e l i a b i l i t yo ft h es o l d e rj o i n t sw i t hd i f f e r e n tt o p b o t t o m m a t e r i a la s s e m b l yi sc o m p a r e d r e s u l t si n d i c a t e ：t h em a t e r i a l h e a tm a t c h i n go f t o p b o t t o mb a s ep l a t ei sm o r eb e t t e r , t h el i f eo fa s s e m b l yi sm o r el o n g e r t h el i f e s p a n o ft h es o l d e rj o i n t sa s s e m b l e dw i 也c e r a m i ce n c a p s u l a t i o na n df r 4b a s ep l a t ei s7 t i m e st h a nt h eo n ew h i l ea d o p t i n gp l a s t i ce n c a p s u l a t i o na n df r 4b a s ep l a t et om a k e u p ；w h e ns t i c k i n gt h es ic h i pt ot h ef r 4b a s ep l a t e t h el i f e s p a ni sq u i t es h o r t e n e d ； s t i c k i n gt h es ic h i pt ot h ec e r a m i cb a s ep l a t ec a nr e p l a c et h ef o r m e r , b e c a u s ei tn o t o n l yr a i s et h ed e n s i t yo f a s s e m b l i n g , b u ta l s ol i f e - s p a no f s o l d e r j o i n t si sp r o l o n g e dt o 6t i m e st h a nt h ef o r m e r ；i ti st h ec o m p o u n d i n go fc e r a m i ct oc e r a m i ct h a tm a t c h b e s t l y f i n a l l y , b yt h es a m ew a y , a d o p t i n gt h ee x i s t i n gm e c h a n i c a lc a p a b i l i t yd a t ao f l e a d f r e es o l d e ra n a l y s e si t st h e r m a lr e l i a b i l i t yi nc o n t r a s tw i mt 1 eo n eo fs n 6 0 p b 4 0 s o l d e ru n d e rt h ec e r a m i c f r 4m a t e d a lc o m p o u n d i n g r e s u l t ss h o wl c a d f r e es o l d e r i n c r e a s e st h er e l i a b i l i t yg r e a t l y i t st h e r m a lf a t i g u el i f ei s4t i m e st h a nt h eo n eo fs n p b s o l d e r t h ec o n c l u s i o nw i l lp r o v i d ead i r e c t i o no nm a t e r i a lc h o i c e o fe l e c t r o n i c p a c k a g i n gi no r d e rt os u i tt od i f f e r e n tr e l i a b l er e q u i r e m e n ti nf u t u r e k e y w o r d s ： e l e c t r o n i cp a c k a g i n g ；b g a ；r e l i a b i l i t yo fs o l d e r ；s t r e s sa n ds t r a i n ；t h e r m a lc y c l e ； t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；t h e r m a lf a t i g u el i f e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他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。 学位论文作者签名淘罾g 妥 签字日期：山静筝年，月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：j 谢g 虽 导师签名： 辑闰受 签字日期：撕；年月多日签字日期：2 甜年，月f r 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 世界正在步入信息时代，信息流通与交换需要先进的传输系统和通信网络， 更需要支持信息网络技术的高精密电子器件和集成电路i ”。它们的生产制造构成 了当今的电子工业。目前的发展证明电子工业将成为下一代国家竞争力的重要指 标。在美国，电子工业雇佣人数已占全国就业人口百分之十一强，为美国所有工 业之首，且预计以后会以每年4 的比例增长。随着电子工业的迅速发展，电子 设备功能越来越强，应用范围愈来愈广，工作环境日趋恶劣，人们对电子设备的 可靠性要求却越来越高。电子系统愈复杂，所用的元器件愈多，失效的概率就愈 大，一旦失效，造成的经济损失就愈惨重。据报道，美国先锋号卫星曾因一价值 仅2 美元的器件失效，使价值2 0 0 万美元的卫星原地坠毁；克罗拉多卅i 北美防空 司令部预警系统信息处理计算机，因一块集成电路失效而发出假核警报，引起一 片恐慌。现在，一块电路的失效，不仅能影响人民的生命财产安全，有时还会涉 及到国家的政治声誉。所以在微电路发展的同时，其可靠性也逐渐为人们所认识， 并得到了密切的关注和重视。目前，关于电子系统可靠性的研究已引起人们高度 重视，自r o m e 航空公司发展中心率先发起国际电子学失效物理讨论会，i e e e 参 与共同主办以来，一门崭新的边缘学科一“可靠性物理学”应运而生。 当前，随着电脑与通讯等产品功能的急速提升及多元化、轻巧化和可携性 的需求，半导体晶片封装业已脱离了传统的技术，朝着高功率、高密度、轻、薄 与微小化等高精密度封装方向发展。如现在己可将近一亿个器件安装在一块芯片 上。表面贴装技术【2 ( s u r f a c em o u n t e dt e c h n o l o g y ，简称s m t ) 作为第四代封 装技术，以其成本低、集成度高、电子组件重量轻、易于自动化等优点广泛应用 于微电子电路，可望在不远的将来彻底取代在电子工业中占统治地位达二十年之 久的通孔焊( t h r o u g hh o l et e c h n o l o g y ，简称t h t ) 技术。s m t 在9 0 年代被誉 为一场“电子封装技术革命”，同时也被誉为9 0 年代世界十大新技术之一。然 而，表面贴装虽然有其诸多的优越性，但它的弱点也很明显，主要有s m t 焊点寿 命有限、可靠性较差。迄今为止，这一问题远未解决。在表面贴装过程中，元器 件( c o m p o n e n t s ) 与印刷电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d 简称：p c b ) 通过焊 点连接形成组件。组件服役时，由予热循环、振动冲击等环境因素的影响，焊点 内不可避免地会产生交变的弹性应变、塑性应变乃至蠕变。这些应变的反复累积， 第一章绪论 极易导致焊点的疲劳失效。因为电子封装除了需确保有高可靠度、散热性佳、低 制造成本等必要特性外，还得面对产品上市时程短、生命周期短、跨研究领域等 挑战，所以如何快速设计可靠的电子产品变成当务之急。 互连技术是微电子封装与组装技术的关键，电子电路中电气信号的畅通、机 械连接的可靠将全部由互连焊点保障，互连焊点的失效可能导致整个电子电路彻 底瘫痪。目前。在失效的微电于产品中，6 0 - - 7 0 是由于焊点失效造成的l3 l ，因 此互连焊点的可靠性阃题成为微电子封装与组装技术领域急待解决的重要课题， 直接决定着电子产品的质量与发展。 1 2 微电子封装与组装技术 现代微电子封装与组装技术从封装芯片开始，按封装顺序，大略包括三级封 装，即将芯片封装成单芯片组件s c m ( s i n g l ec h i pm o d u l e ) 和多芯片组件 m c m ( m u l t i c h i pm o d u l e ) 的一级封装；将级封装和其他组件- - n 组装到单层或 多层印制电路板p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 或其他基板上的二级封装；再 将二级封装插装到母扳上组成三级封装，图1 一l 为三级封装示意图忆 图i - i 微电子连接三级封装示意图 以下简单介绍一下电子封装中的一级封装、二级封装、传统二级封装衍生 发展的高密度封装、省略一级封装的芯片直接贴装。 1 一级封装器件封装 一级封装是指硅片塑封，即如何将集成电路封装起来，使之成为一可接插或 可安装的元器件，所以又口q 器件封装，或称为芯片级封装。 第一章绪论 极易导致焊点的疲劳失效。因为电子封装除了需确保有高可靠度、散热性佳、低 制造成本等必要特性外，还得面对产品上市时程短、生命周期短、跨研究领域等 挑战，所以如何快速设计可靠的电子产品变成当务之急。 互连技术是微电子封装与组装技术的关键，电子电路中电气信号的畅通、机 械连接的可靠将全部由互连焊点保障，互连焊点的失效可能导致整个电子电路彻 底瘫痪。目前，在失效的微电于产品中，6 0 - - 7 0 是由于焊点失效造成的捌，因 此互连焊点的可靠性问题成为微电子封装与组装技术领域急待解决的重要课题， 直接决定着电子产品的质量与发展。 1 2 微电子封装与组装技术 现代微电子封装与组装技术从封装芯片开始，按封装顺序，大略包括三级封 装，即将芯片封装成单芯片组件s c m ( s i n g l ec h i pm o d u e ) 和多芯片组件 m 酬( m u l t i c h i pm o d u l e ) 的一级封装；将一级封装和其他组件一同组装到单层或 多层印制电路板p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 或其他基扳上的二级封装；再 将二级封装插装到母板上组成三级封装，图1 1 为三级封装示意图1 4 】。 图1 - 1 微电子连接三级封装示意图 以下简单介绍一下电子封装中的一级封装、二级封装、传统一二级封装衍生 发展的高密度封装、省略一级封装的芯片直接贴装。 1 一级封装器件封装 一级封装是指硅片塑封，即如何将集成电路封装起来，使之成为一可接插或 可安装的元器件，所以又叫器件封装，或称为芯片级封装。 可安装的元器件，所以又叫器件封装，或称为芯片级封装。 第一章绪论 最基本的集成电路器件封装常利用w i r eb o n d 、t a b 或c o n t r o l l e d c o l l a p s e dc h i pc o n n e c t i o n ( c 4 ) 技术，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，为芯片提供一个稳定可靠的工 作环境及与外部电路的机械连接和电学连接，并提供热耗散的通道。一级封装也 是芯片各个输入输出端向外过渡的连接手段，从而形成一个完整的器件。 器件封装的类型很多，按其外壳材料来分，有陶瓷封装、塑料封装、金属封 装和玻璃封装等；按其引脚方式来分，有单列式封装、双列式封装、针栅阵列封 装、四边引线封装等：按其与印刷电路板的连接方式来分，有插孔器件、表面贴 装器件安装等等。 2 二级封装电路板封装 二级封装是指将元器件安装到p c b 或基板上。这一阶层属于组装厂或主机厂 的范畴，以表面安装技术和印刷电路板、基板制造技术为主体。 最初的晶体管采用放射形引脚，可将其插入印刷电路板的通孔中。接着， f a i r c h i i d 公司发明了具有两行引脚的双列直插式封装( d u a l i n l i n ep a c k a g e ， 简称d l p ) 【5 l 。随后实现插孔式波峰焊接，即印刷电路板上的各插脚，包括d l p 引脚及其它元件( 如电阻器、电容器、真空管或真空管插座) 的引脚，在印刷电路 板背面上通过焊缸上方熔融焊料实现焊料液面波峰焊接。 5 0 年代，表面贴装元件( s u r f a c em o u n t e dc o m p o n e n t ，简称s m c ) 开始用 于要求体积很小的电路板。所用的片状表面贴装元器件没有引脚，只有供焊接时 用的焊盘；同样陶瓷印刷电路板上也只有相应的印刷线路和焊盘。元器件在印刷 电路板的表面上进行焊接贴装。6 0 年代nvp h i l i p s 公司发明了用于手表工业 表面贴装的小外形集成电路( s m a l lo u t l i n ei n t e g r a t e dc i r c u i t ，简称s o i c ) 封装。7 0 年代初，目本开始采用方形扁平塑料( o u a df l a tp l a s t i c ，简称q f p ) 封装技术制造计算器用的引脚分布在四周、供表面贴装的器件。同时也出现了相 应的片式电阻和片式电容。至8 0 年代，元器件引脚或焊盘直接焊接在成本低廉 的f r 4 印刷电路板焊盘上的表面贴装技术日臻成熟，得到广泛应用，而插孔式应 用随之逐渐减少。目前，表面贴装印刷电路板已占全部印刷电路板总数的8 0 以上。 3 高密度封装 从8 0 年代起，随着i e 飞速发展，i o 端口数急剧增加，这就要求封装密度 相应也要进一步提高。于是，出现了“高密度封装”术语【6 1 ，并发展起来使用s m t 的各种先进器件封装形式，如芯片尺度封装( c h i ps c a l ep a c k a g e ，简称：c s p ) 、 球栅阵列( b a l lg r i da r r a y ，简称：b g a ) 封装和多芯片封装( m u l t i c h i pp a c k a g e ， 简称：m c p ) ，逐渐成为新一代电子设备和电子产品的组装手段 7 - 9 1 。 第一章绪论 c s p 封装器件只比芯片本身大2 0 ，由于这个原因，c s p 的使用使i o 端口 密度比原有的产品扩大了3 倍。目前的c s p 已达到工艺易于控制，器件易于测试 的发展程度，且能实现“再利用( r e w o r k a b l e ) ”。多芯片模块( m u l t i - c h i pm o d u l e ， 简称m c m ) 是把多块裸露的i c 芯片贴装在同一片高密度多层互连衬底上，并封 装在同一个管壳中而构成。m c m 也是一种先进的封装技术，其特点是封装密度高， 高频性能好。它与等效的单芯片相比，体积可减小8 0 ，芯片至芯片的传输延 迟可减小7 5 ，因此是促使系统向小型化过渡的良好形式。目前，在m c m 技术基 础上正在发展三维堆积封装( s t a c k i n gp a c k a g e ) 技术。球栅阵列( b g a ) 是本课 题研究重点，将在后节中具体讲述。 4 芯片直接贴装于印刷电路板 芯片贴装于印刷电路扳( c h i po nb o a r d ，简称c o b ) 或芯片直接贴装( d i r e c t c h i pa t t a c h m e n t ，简称d c a ) 技术，如印刷电路板贴装芯片( c h i p0 1 1p c b ，简 称c o p ) 、玻璃扳贴装芯片( c h i po ng l a s s 简称c o g ) 和倒装焊( f l i pc h i p0 1 1 b o a r d ，简称f c o b ) ，可以消减一级封装，直接实现芯片和印制板的连接。 倒装焊是应用广泛的d c a 技术，它在芯片电路表面制作焊球，芯片电路表面 向下将焊球直接与印刷电路扳上的焊盘实现焊接，能提供所有封装技术中最高的 密度。在不远的将来，倒装焊将成为封装技术的主流。c o b 技术省略了器件封装 这一步，能满足缩小体积、减轻重量、降低成本的要求，正得到迅速的发展。 1 3 电子封装的发展趋势 在很短的时间内，电子元器件己经从双列直插式封装( d l p ) 器件迅速发展 至表面贴装器件( s u r f a c em o u n td e v i c e ，简称s m d ) 。表面贴装技术在电子产 品向小型化、轻量化、薄型化的发展中发挥了重要作用。在微电子表面贴装封装 领域，矩形扁平封装器件( q f p ) 过去一直占主导地位，它是一种细间距的周边 引线封装形式。随着i o 引线数的增加，q f p 的引脚中心距逐渐从0 6 5 m m 减小 到0 5 咖、0 4 m m 、0 3 m m 。然而，由于大规模集成电路和超大规模集成电路的不 断发展，集成电路的电路门数和芯片i o 端口数越来越多，q f p 己无法满足电子 产品发展的需求。于是，球形触点阵列( b g a ) 封装技术、芯片尺寸封装( c s p ) 技术、直接芯片安装( d c a ) 技术、面阵列倒装芯片( a r e aa r r a yf l i pc h i p ) 技术随之发展起来。 i c 封装的发展将会是b g a 以其焊球位于元器件下底面极大提高封装密度， 而取代q f p 和s o i c ( s m a l lo u t l i n ei n t e g r a t e dc i r c u i t ) 年增长率位于第一。 焊球间距小达0 5 m m 的u b g a 和焊球也处于元件下底面的c s p 越来越具有吸引力。 作为前沿研究领域的裸芯片直接贴装于印刷电路板( d c a ) 年消耗量将逐年增长， 第一章绪论 特别是采用倒装焊工艺的芯片。 回顾发展历程，可以清晰地看到电子封装的未来发展总趋势： ( 1 ) i o 端口数量将持续增加； ( 2 ) 引脚或焊球之间的间距将继续缩小： ( 3 ) 器件封装继续向小型化发展； ( 4 ) 焊盘间距继续向密集型发展； ( 5 ) 随着市场需求增加，面阵互连形式继续增加； ( 6 ) 采用多芯片模块和少芯片封装等手段实现更高密度的封装。 图i - 2 给出了印刷电路板上的塑料球栅阵列( p b g a ) 、芯片尺度封装( c s p ) 和直接芯片贴装( d c a ) 结构示意图。p b g a 和c s p 都是高密度器件封装，而d c a 则省略了器件封装这一环节。 p l a 皇t i cb 越16 r i d a r r a y ( p b g ) p k 龃 c h i ps c a l e p k a g e ( c s p ) d i r e c tc h i p t t h ( d “) 图i - 2印刷电路板上的p b g a 、c s p 和d c a 结构示意图 1 4 先进的电子封装技术b g a 球形触点阵列( b g a ) 是近几年才迅速发展起来的最新表面安装技术中的 类封装形式。其是在基板的背面按阵列方式制出球形触点作为引脚，在基板正面 装配集成电路，而形成的一种表面贴装技术。本文将采用此种形式的封装焊点进 行二级板组装可靠性研究。 按基板材料的类型，b g a 的封装类型主要有：塑料球栅阵列( p l a s t i cb a l l g r i da r r a y ，简称p b g a ) 、陶瓷球栅阵列( c e r a m i cb a l lg r i da r r a y ，简称c b g a ) 、 陶瓷柱栅阵列( c e r a m i cc o l u m ng r i da r r a y ，简称c c g a ) 、载带自动键合球珊 阵列( t a p ea u t o m a t i cb a l lg r i da r r a y ，简称t b g a ) 。b g a 焊球直径有0 8 9 m m 和0 7 6 m m 等多种，间距通常由1 2 7 m m 和1 o m m 。这种封装器件具有以下特点： 1 器件引脚很短，使信号路径短，减小了引线电感和电容，增强了电性能； 2 改善共面问题，再流焊时具有自对正效应； 3 能与原有的s m t 贴装工艺和设备兼容，原有丝印机、贴片机和再流焊设 备都能使用； 4 b g a 适合m c m 的封装需要，有利于实现m c m 的高密度、高性能。 当然，b g a 本身尚具有一些不尽人意之处： 第一章绪论 1 焊点隐藏在封装之下，焊点质量检测困难： 2 b g a 的返修需要专用设备； 3 b g a 的可靠性问题。 目前国内b o a 器件典型装配工艺流程如图卜3 所示。贴片之后利用x r a y 机器检查b g a 焊点质量，确保焊点无虚焊、无短路以及其它明显缺陷。 1 4 1c b g a 元器件的检查 丝网漏印 点胶 贴装元器件 i 再流焊焊接 清洗 j x - - r a y 焊点检查 图i - 3b s a 器件装配工艺流程图 与铜或合金引脚( 线) 相比，球形焊点更便宜，也非常适应s m t 生产技术的 要求，因此各大芯片制造公司( 如m o t o r o a ，i b m ，h i t a c h i ，n e c 等) 纷纷将 p g a ( p i ng r i da r r a y ) 针栅阵列封装中的插针用焊球来代替，从而演变出c s g a 陶瓷球栅阵列封装( 图卜4 ) 。陶瓷封装因其良好的气密性，而主要应用于军 事领域。c b g a 采用了多层陶瓷基底，并使用了两种不同的焊点连接方式。一种 是在小一点的陶瓷基片上，采用了球形焊点：另一种连接方法是更大的陶瓷基片 上采用柱形焊点，它现在被称为陶瓷柱形网格阵列封装( c e r a m i cc o l u m ng r i d a r r a y ， c c g a ) 。 第一章绪论 州静一叫i r j i 甲t o ；o | p ，r ；吖 l j j | l ，j 4 d k t a _ 具青抽计j k 直砷中懈屯鼍耘 图i - 4 焊球代替插针演变图 一。 。 。i 轴 一= 三了乙一 il l - - 9 p l - 图1 5 典型c b g a 结构示意图 图卜5 示意地表示m o t o r o l a 公司生产的具有1 2 7 r a m 引脚间距的c b g a 元 件”o l 。氧化铝陶瓷片厚0 6 4 w a n ，边长2 1 5 9 m m 。1 9 6 个直径为0 7 6 r a m 的焊球以 1 4 1 4 的方形矩阵植于陶瓷片的底部。硅晶片放在陶瓷基片上，通过导线键合焊 将信号引入相应的焊球，晶片用铜帽保护。 1 4 2p b g a 由于b t 树脂( b i s m a l e i m i d et r i a z ir l e ，双马来酞亚胺三氮杂苯树脂) 或聚 酰亚氨( p i ) 比陶瓷便宜，并且有很好的电性能，因此被用来代替c b g a 中的陶瓷 基底，并用塑料将基底与晶片密封起来，形成塑料球栅阵列封装( p b g a ) ，应用于 民晶。钎料球( s o l d e rh a l1 ) 组成为共晶钎科6 3 s n 3 7 p b 或6 2 s n 3 6 p b 2 a g ，目前 钎料球直径分为由0 7 6 r a m 、由0 5 r o r a 和由0 3 m m 几种，间距般为1 5 m m 、1 ，2 7 r a m 和1 删。早在1 9 8 9 年，m o t o r o l a 公司就由类似p b g a 形式的封装器件成功用于便 携式的电子产品中。 图卜6 为典型的p b g a 封装结构示意图。封装时首先采用导电的芯片粘接剂将 s i 芯片与b t 树脂基板粘接起来，再通过印刷铜导线和过孔将电路引至f j b t 基片底部 的焊盘阵列。为了保护芯片不受损坏，采用模压化合物对芯片进行密封，最后将 第一章绪论 共晶钎料球与基板上的c u 焊盘( p a d ) 连接起来形成钎料凸点( s o l d e rb u m p ) ，这些 以阵列方式排列的钎料凸点即为p b g a 封装器件的i 0 引脚。 图1 - 6p b g a 封装结构示意图 目前，p b g a 封装芯片广泛应用于高速r a m 、c p u 、a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 等。本文将采用此种形式的封装焊点进行研究。 1 5 电子封装焊点可靠性问题的提出 + 焊点在电子封装技术中不仅用于电连接、机械连接，还为芯片提供热耗散通 道。随着芯片封装从带引线通孔安装发展到带引线表面安装，直至现在的无引线 焊球阵列表面贴装。电子封装正朝着焊球阵列节距越来越小，焊球尺寸越来越小， 而芯片尺寸却越来越犬，焊球数目越来越多的方向不断发展，这使得焊点的可靠 性问题变得越来越突出。研究表明，电子器件失效的7 0 是由封装及组装的失 效所引起，而在电子封装及组装的失效中，焊点的失效是主要原因l l i i 。如 s t e i n b e r g 1 2 1 认为“在电子封装过程中，焊点连接是非常重要的。电子设备的可 靠性常归根于焊点的可靠性”。w w l e e 等入i l3 】认为“随着焊点尺寸的越来越小， 焊点成为最弱的连接环节，必须进行仔细设计以防疲劳失效”。 电子封装器件在服役过程中，电路的周期性通断和环境温度的周期性变化， 使焊点经受温度循环作用。由于各材料间的热膨胀失配，如芯片载体材料a 1 。0 。 陶瓷的热膨胀系数( c o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n ，简称c t e ) 约为6 5 p p m ，基板材料环氧树脂玻璃f r 4 的c t e 约为2 0 0p p m ，s n p b 焊点内将产生 周期性的应力应变过程，导致焊点中裂纹的萌生和扩展，最终致使焊点失效。如 图卜7 所示为由于芯片、焊点、基板的热膨胀系数不匹配而使焊点在热循环过程 中产生剪切应变。 第一章绪论 1$illcon o i m i： ( 一 【一j ( 一，s o l d a e r 9 i u i l r n 。 s u h _ n 喇i ： i 图卜7 材料热膨胀系数不匹配而使焊点在热循环过程中产生剪切应变示意图 此外，电子设备在服役过程中会遇到振动冲击的作用，使p c b 或基板发生较 大的动态弯曲变形，在焊点中引起交变应力。尤其是当焊点内动态应力和热应力 相互作用时，会加速焊点中的裂纹扩展进程，迅速导致焊点提前失效。 但自从二十世纪六十年代末期和七十年代早期，i b m 和b e l l 实验室经过大 量疲劳分析研究表明焊点夫效的主要原因是低周热疲劳后，焊点低周热疲劳就一 直成为学术界的主要研究对象 1 4 , 1 5 】。 1 6 焊点可靠性的研究内容 目前电子封装技术领域己提出了焊点可靠性工程的概念，它包括可靠性设 计、可靠性测试和数据分析以及失效分析。国内外关于电子封装焊点可靠性的研 究主要集中在以下几个方面。 ( 1 ) 研制开发新型基板材料。为了协调电子封装与基板的热膨胀匹配，降 低焊点在服役条件下的应力应变，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 = s p p m ) 、c u 因瓦- - c u 复合基板( c t b = 2 8 - 1 3 p pm ) 、 c u - m o - - c u 及石英纤维复合材料等新型基板材料，取得了较好的效果【1 6 j 。但新型 基板材料的工艺复杂，价格相对昂贵，其实用性受到限制。 ( 2 ) 研究和发展预测电子封装焊点热循环可靠性的基础理论和测试技术。 内容涉及热循环寿命预测方法、钎料热循环条件下的失效机制、焊点可靠性的加 速试验方法等。焊点的寿命预测一直是焊点可靠性问题的重要内容，已经提出了 多种寿命预测模型，如基于应变范围的c o f f i n - - m a n s o n 经验模型、基于断裂力 学的裂纹扩展模型和基于损伤累积的能量模型等。普遍认为，s n p b 焊点在热循 环条件下的失效机制是蠕变疲劳的交互作用，s n p b 焊点的失效断口既有疲劳断 裂特征的疲劳辉纹，又具有蠕变断裂特征的沿晶裂纹。目前对焊点失效机制的研 究还不多。随着人们对s n p b 焊点失效机制认识的深入，今后的研究方向是如何 把规则的加速试验条件下的寿命模式向现实服役条件外推。 第一章绪论 ( 3 ) 钎料合金研究。内容包括：研制和开发高可靠性钎料合金：构造钎料 的力学本构方程等。目前，通过在s n p b 基钎料中添加合金元素( 如c u 、a g 、i n 等) 或稀土元素，研究开发了多种s n p b 基钎料合金，在提高焊点热循环可靠性 方面取得了一定进展。鉴于环境规范的要求( 尤其是英国和日本) 而限制铅的使 用量，现在已经开始无铅焊料的研究和使用。由于软钎料合金在热循环条件下明 显的蠕变变形和应力松弛行为，基于时间相关变形机制的力学本构研究也受到了 人们的关注。 ( 4 ) s n p b 焊点应力应变分析。在热循环过程中，s n p b 焊点失效是焊点周 期性的应力应变所致，s n p b 焊点的应力应变分析是是焊点可靠性预测的基础， 受到了人们的广泛关注。由于电子封装s n p b 焊点细小，应力应变过程复杂，因 此焊点应力应变的实验测量十分困难。虽然已经采用多种方法( 如应变计、激光 全患、光珊云纹等) 对s n p b 焊点热循环过程的应力应变进行测量，但是现有的 测试技术还只能提供平均的或表面( 断面) 的测量结果。因此，s n p b 焊点的应 力应变分析主要采用理论分析方法，如有限元模拟方法。由于有限元方法能处理 复杂的加载条件和几何结构，在焊点应力应变分析中得到广泛应用。 ( 5 ) s n p b 焊点结构的优化设计。研究表明，s n p b 焊点的几何结构( 以下 称焊点形态) 是影响焊点机械性能和热循环可靠性的重要因素，改善焊点形态是 提高焊点可靠性的有效途径。目前，己采用多种方祛，特别是基于最小能量原理 的s u r f a c ee v o l v e r 方法，模拟了多种电于封装( 如方形扁平封装t q f p 和p l c c 、 球栅阵列b g a 、倒装焊f l i p