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 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)變進行了分析；也討論了EMC材料模式對應(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：TN305．94 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1681-1070(2004)06-26-04

1 引言

電子封裝對小型、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)部將會引發(fā)裂紋并擴展，最終導(dǎo)致熱疲勞失效。關(guān)于焊點的熱疲勞失效已經(jīng)有很多學(xué)者進行了研究[9]，但對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，使得對實際的微電子器件進行熱機械性能測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)變進行了分析。又由于很多文獻中為了模擬的簡便，將粘彈性的EMC材料假定為線彈性的[4]，使得模擬結(jié)果與實際差異較大，因此本文對EMC采用了粘彈性和線彈性兩種材料模式進行分析比較，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

本文對一個全陣列PBGA封裝器件進行模擬，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焊點與FR4基板連接起來。(出于簡化的需要，該PBGA器件忽略了粘結(jié)劑和引線等)

該PBGA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—機械可靠性問題。

考慮到該封裝器件的對稱性，僅取其中一半進行模擬分析。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點為硅芯片、EMC和BT基板三者交接附近在EMC上的一點。

有限元分析中的邊界條件：對稱軸上的節(jié)點施加X方向的約束(u=o)，位于對稱軸上的左下角節(jié)點施加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)；接下來是焊點的再回流過程：用lmin的時間便溫度從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，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，焊點的結(jié)構(gòu)關(guān)系通過用戶子程序來實現(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(芯片、EMC和BT基板的交接點，對應(yīng)于圖2中D點)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，因此EMC的中上部可能是材料拉伸失效的潛在位置。

3．2 EMC材料模式對應(yīng)力的影響

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

從圖5可以看出，在整個加載過程中，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線彈性材料模式計算出的結(jié)果將會大大高估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℃(對應(yīng)于圖3中a和b時刻)時EMC中沿路徑A-B-C-D(對應(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EMC中應(yīng)力值遠(yuǎn)高于高溫時，而且A和D點分別為最大值拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力值處，因此A點和D點處是最可能引發(fā)裂紋并導(dǎo)致失效的地方,尤其在低溫時。

圖7(a)(b)分別表示了在第三個熱循環(huán)末整個封裝器件的應(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相對于其它材料其應(yīng)力絕對值并不是非常高，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)部就會產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力達到一定程度就會引發(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可靠性分析的不可靠性。