PBGA中環(huán)氧模塑封裝材料的熱力學(xué)應(yīng)力分析

秦連城 郝秀云 楊道國(guó) 劉士龍(桂林電子工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

摘 要：本文采用有限元模擬的方法，對(duì)塑封焊球柵陣列PBGA的再回流焊接過程及其后的熱循環(huán)進(jìn)行了仿真，其中環(huán)氧模塑封裝材料EMC采用了粘彈性和線彈性兩種材料模式。仿真中主要對(duì)EMC再回流焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和熱循環(huán)載荷下的熱應(yīng)力／應(yīng)變進(jìn)行了分析；也討論了EMC材料模式對(duì)應(yīng)力值的影響。結(jié)果表明：線彈性模式的EMC的應(yīng)力值明顯高于粘彈性模式的；在熱循環(huán)載荷下EMC中應(yīng)力水平并不高，但開裂應(yīng)變卻非常高，因此在EMC中很可能引發(fā)疲勞裂紋。

關(guān)鍵詞：塑封焊球陣列封裝(PBGA)；環(huán)氧模塑封裝材料(EMC)；有限元仿真；熱循環(huán)

中圖分類號(hào)：TN305．94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1681-1070(2004)06-26-04

1 引言

電子封裝對(duì)小型、高密度、高可靠性的要求，導(dǎo)致了塑封焊球陣列PBGA技術(shù)的迅速發(fā)展[1，2]。環(huán)氧模塑封裝材料EMC由于它較好的性能價(jià)格比，已經(jīng)成為PBGA封裝中不可缺少的一部分。但是EMC的熱疲勞失效是微電子器件失效的主要原因之一，這主要是由于電路的周期性通斷和環(huán)境溫度的起伏變化，封裝器件將經(jīng)受溫度循環(huán)，在溫度循環(huán)過程中，由于封裝器件各材料間熱膨脹系數(shù)的不同，在EMC內(nèi)部將會(huì)引發(fā)裂紋并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致熱疲勞失效。關(guān)于焊點(diǎn)的熱疲勞失效已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行了研究[9]，但對(duì)EMC熱疲勞失效的研究卻很少，因此本文以討論EMC為主。

由于電子器件朝著體積微小化、高互連密度方向發(fā)展，使得對(duì)實(shí)際的微電子器件進(jìn)行熱機(jī)械性能測(cè)試變得非常困難甚至不可能，因此有限元模擬已經(jīng)成為電子器件熱機(jī)械可靠性模擬分析的主要手段[3]。本文作為EMC熱疲勞失效研究的前期工作，主要通過有限元仿真的方法模擬了PBGA的再回流焊接過程及其后的熱循環(huán)，并對(duì)EMC再回流焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和熱循環(huán)載荷下的熱應(yīng)力／應(yīng)變進(jìn)行了分析。又由于很多文獻(xiàn)中為了模擬的簡(jiǎn)便，將粘彈性的EMC材料假定為線彈性的[4]，使得模擬結(jié)果與實(shí)際差異較大，因此本文對(duì)EMC采用了粘彈性和線彈性兩種材料模式進(jìn)行分析比較，結(jié)果表明線彈性材料模式夸大了組裝過程和熱循環(huán)過程中EMC的應(yīng)力值，因此由此產(chǎn)生的可靠性分析結(jié)論也是極為不準(zhǔn)確的。

2 PBCA的有限元仿真

2．1 幾何尺寸及有限元網(wǎng)格劃分

本文對(duì)一個(gè)全陣列PBGA封裝器件進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)如圖1所示，硅芯片組裝在BT基板上，周圍由EMC封裝起來，BT基板又通過63Sn／37Pb焊點(diǎn)與FR4基板連接起來。(出于簡(jiǎn)化的需要，該P(yáng)BGA器件忽略了粘結(jié)劑和引線等)

該P(yáng)BGA具有15×15的焊球陣列[5]：焊球直徑是0．76mm，間距是1．5mm，芯片為10mm見方，EMC為24mm見方，BT基板為27×27，F(xiàn)R4基板為27×27，(單位為mm)。

研究中采用二維有限元模擬PBGA的熱—機(jī)械可靠性問題。

考慮到該封裝器件的對(duì)稱性，僅取其中一半進(jìn)行模擬分析。其有限元網(wǎng)格如圖2所示：其中，B-C-D為EMC和硅芯片的交接線，E點(diǎn)為硅芯片、EMC和BT基板三者交接附近在EMC上的一點(diǎn)。

有限元分析中的邊界條件：對(duì)稱軸上的節(jié)點(diǎn)施加X方向的約束(u=o)，位于對(duì)稱軸上的左下角節(jié)點(diǎn)施加Y方向的約束(u=v=0)。

2．2 模擬中熱載荷

模擬中采取的熱載荷主要包括從固化溫度的冷卻，再回流和三個(gè)熱循環(huán)：從EMC的固化溫度175℃以10％／min的速率冷卻到室溫25℃(1-2)；在室溫下保持30min(2-3)；接下來是焊點(diǎn)的再回流過程：用lmin的時(shí)間便溫度從25℃升到150℃，完成基板和器件的預(yù)熱，然后在150℃,叵溫3min，使助焊劑揮發(fā)，再用10s使溫度從150％升到183℃，進(jìn)一步清除焊劑。之后就是再回流，即用15s從183℃到220％，保持?jǐn)?shù)秒后，再用15s，從220℃降到183℃。最后由183℃自然冷卻到室溫，用2min(3-4-5)；其后在室溫下保持30min(5-6)；最后開始熱循環(huán)加載：參照美國(guó)軍標(biāo)MIL-STD-883，溫度循環(huán)范圍是-55℃-+125℃，循環(huán)周期是30min／周，其中高低溫駐留時(shí)間各10min，升降速率是36％／min(6-7)。其曲線如圖3所示：

2.3 材料特性

模型中芯片采用彈性各向同性形式，BT基板和FR4基板采用正交各向異性形式，具體的材料參數(shù)見表1。

本文模擬時(shí)，EMC考慮兩種材料模式：第一種采用與固化過程相關(guān)的粘彈性結(jié)構(gòu)關(guān)系，用如下的積分形式表示:

是由L．J．Ernst，D．G．Yang等[6]建立的，其材料參數(shù)由D．G．Yang等測(cè)出。第二種采用彈性材料的模式：E=14161Mpa，V=0．226，CTE=16ppm／℃。

仿真中的焊點(diǎn)材料采用溫度相關(guān)彈塑性及率相關(guān)蠕變共存的材料模式。其中焊點(diǎn)材料的彈性模量溫度相關(guān)特性可表示為[7]：

在有限元軟件中，焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)關(guān)系通過用戶子程序來實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)果分析

3.1 EMC中再回流過程引發(fā)的殘余應(yīng)力

再回流結(jié)束時(shí)EMC中應(yīng)力σxx分布云紋如圖4所示(考慮EMC為粘彈性模式)。

從圖4可以看出，再回流結(jié)束后，EMC中應(yīng)力呈不均勻分布。這些應(yīng)力的產(chǎn)生主要是由于封裝器件中各材料間熱膨脹系數(shù)的不同，在再回流過程中溫度的快速變化而引起的。從上圖還可以發(fā)現(xiàn)，D點(diǎn)(芯片、EMC和BT基板的交接點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于圖2中D點(diǎn))的壓應(yīng)力值最大，因此最可能引發(fā)壓縮失效。EMC的中上部的拉應(yīng)力值僅次于D點(diǎn)，因此EMC的中上部可能是材料拉伸失效的潛在位置。

3．2 EMC材料模式對(duì)應(yīng)力的影響

圖5表示了整個(gè)加載過程中對(duì)EMC分別考慮粘彈性和線彈性兩種材料模式時(shí)E點(diǎn)(對(duì)應(yīng)于圖2中正點(diǎn))的應(yīng)力演化曲線。

從圖5可以看出，在整個(gè)加載過程中，線彈性模式的EMC其壓應(yīng)力值明顯高于粘彈性模式的，這主要與EMC粘彈特性所表現(xiàn)出的蠕變／松弛特性是密切相關(guān)的。因此采用EMC線彈性材料模式計(jì)算出的結(jié)果將會(huì)大大高估PBGA器件EMC材料失效的幾率，而由此產(chǎn)生的可靠性分析結(jié)論也是極為不準(zhǔn)確的。

3．3 熱循環(huán)下EMC中應(yīng)力／應(yīng)變

圖6顯示了熱循環(huán)中在低溫-55℃和高溫125℃(對(duì)應(yīng)于圖3中a和b時(shí)刻)時(shí)EMC中沿路徑A-B-C-D(對(duì)應(yīng)于圖2中A-B-C-D)的應(yīng)力曲線。

從圖6可以看出，熱循環(huán)當(dāng)中低溫時(shí)EMC中應(yīng)力值遠(yuǎn)高于高溫時(shí)，而且A和D點(diǎn)分別為最大值拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力值處，因此A點(diǎn)和D點(diǎn)處是最可能引發(fā)裂紋并導(dǎo)致失效的地方,尤其在低溫時(shí)。

圖7(a)(b)分別表示了在第三個(gè)熱循環(huán)末整個(gè)封裝器件的應(yīng)力和開裂應(yīng)變分布。

從圖7(a)中可以看出，在熱循環(huán)過程中EMC相對(duì)于其它材料其應(yīng)力絕對(duì)值并不是非常高，但是圖7(b)卻表示EMC中的開裂應(yīng)變最高。由此可知熱循環(huán)過程中在EMC內(nèi)部是很容易引發(fā)疲勞失效的，因此EMC的熱疲勞失效是微電子器件失效的主要原因之一。

4 結(jié)論

由于PBGA封裝中各材料間熱膨脹系數(shù)的不同，因此在再回流過程和其后的使用過程中，EMC內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力達(dá)到一定程度就會(huì)引發(fā)裂紋并最后導(dǎo)致失效。本文作為EMC熱循環(huán)失效的前期研究工作，通過有限元仿真的方法模擬了PBGA封裝在再回流過程和隨后的熱循環(huán)過程中的熱應(yīng)力／應(yīng)變，得出了：在熱循環(huán)載荷下EMC中應(yīng)力水平并不高，但卻很可能引熱疲勞失效；也得出了可能的失效位置；并且對(duì)EMC采用了粘彈性和線彈性兩種材料模式，分析了線彈性模式對(duì)可靠性分析的不可靠性。