您好、欢迎来到现金彩票网!
当前位置:ds视讯 > 封装可靠性 >

BGA封装的可靠性模拟与研究pdf

发布时间:2019-07-01 15:18 来源:未知 编辑:admin

  1.本站不保证该用户上传的文档完整性,不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。

  万方数据 摘要 随着时代的进步,微电子产品向便携化、小型化和高性能方向发展,BGA (Ball Grid Array )封装已成为最先进的封装技术之一。然而,BGA 封装面临的主要技术瓶颈在于 电子产品的使用过程中,芯片会产生很多的热量,使得封装系统组件温度升高;由于封 装材料的膨胀系数不同,温差变化会使得封装整体受到热应力冲击。在封装整体焊点的 强度较低时,不断的热应力冲击会使焊点产生裂纹,久而久之会导致封装整体失效。 本文对简化的 BGA 封装体结构(主要包括芯片、Sn-3.0Ag-0.7Cu 焊球、铜焊盘以 及基板等),运用 ANSYS14.5 软件,建立 1/4 封装体模型,(并)利用有限元法对其无 铅焊点模拟,对焊点的热应力应变进行分析,为因温度、热应力、疲劳等诸多问题而导 致 BGA 封装体失效的研究提供了理论基础。 对于热应力分析,在循环条件下,材料的膨胀系数不匹配,会导致 BGA 封装整体 尤其是焊球内有大位移变化,并发生应力应变集中现象。查看不同的周期循环(5cycles、 10cycles 、20cycles )下的结果,发现变形位移云图、应力应变云图以及最大应力焊点 的节点应力应变变化不大。以 5cycles 为基准,根据 C-M 方程,在温度循环条件下, 95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu 无铅焊球的最短热疲劳寿命约为 424cycles 。随着循环周期的增加, 焊球内部的 Von Mises 应力也在不断增加。 电子封装的可靠性涉及到很多方面的因数,根据已往的研究且从无铅钎料的力学性 能和钎焊性能及焊点可靠性出发,本文对材料和部分工艺进行验证。无铅焊点是以 Sn 为基体,加入 Ag 、Cu、Zn 、Bi 、In 等元素形成的二元及多元合金。对比 SnAg、SnAgCu 两种钎料,SnAg 的寿命周期更长,SnAgCu 的使用更为广泛。焊点成分的变化体现出了 不同性质,因此对于不同的工作环境焊料的选择也会不同。对不同半径的铜焊盘 (0.20mm、0.23mm、0.26mm )进行对比验证发现,在回流焊后保证焊点体积量不变下, 新的焊球形状会随着焊盘大小发生不同的变化。对三种不同大小的焊盘的封装整体进行 热循环模拟,根据分析结果我们可以发现,在焊盘的设计范围内,盘尺寸设计越大,焊 点承受应力越小,塑性形变越小,疲劳寿命越长,焊点越可靠。 关键词:无铅焊点 热循环 可靠性 疲劳寿命 铜焊盘 万方数据 Abstract with the development of the times, the portable, miniaturization and high performance is the direction of the microelectronic products, and BGA (Ball Grid Array) package has become one of the most advanced packaging technologies. However, the bottlenecks of BGA package is that the chip will generate a lot of heat when the electronic products is used, which make the component of the package system high temperature. Due to the different of expansion coefficients of packaging materials, the change of temperature will make the whole package thermal stress shock. When the strength of package solder is lower and the product have many thermal stress, the solder have cracks, which causes have the failure of the entire package. The ANSYS14.5 software is used to build 1/4 package model for BGA package (including chips, Sn-3.0Ag-0.7Cu solder ball, copper pad, substrate and so on), and the finite element method is used to simulate lead-free solder and analysis the thermal stress strain of solder. The study provides a theoretical basis to the study of BGA package failure, which is caused by temperature, heat stress, fatigue and so on. For the thermal stress analysis, the expansion coefficient of the material does not match the BGA package in cyclic condition, and especially the solder balls have large displacement, and the phenomenon of stress concentration is happen. Viewing the results of the different cycles (5cycles 、10cycles 、20cycles), the cloud of displacement, the cloud of strain and the maximum stress is found little change. Based on 5 cycles and C-M equation, the minimum fatigue life of 95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu lead-free solder is 424 cycles. With the increase of cycles, the stress of Von Mises is also increasing. The reliability of electronic package involved in many aspects. Based on studies in the past, the mechanical properties of lead-free solder, brazing properties and the reliability of solder, the materials and process is verified. The lead-free solder is that the binary and multicomponent alloys of Ag, Cu, Zn, Bi, In and so on is added to Sn matrix. Compared SnAg and SnAgCu, SnAg have longer life, SnAgCu have more widely used. The change of solder have the different natures, therefore, the choice of solder are different in different environment. Through the different radii of the copper pads (0.20mm、0.23mm、0.26mm) is analyzed. The shape of the new balls has different change in the same volume of the solder. The three kind of package is simulated, we can find on analysis that the design size of plate is larger, the stress of solder is smaller, plastic deformation is smaller, the fatigue life is longer, the reliable of solder is higher. 万方数据 Keywords: lead-free solder; thermal cycling; reliability; fatigue life; copper pad 万方数据 目录 摘要 IV ABSTRACT V 目录 VII 第一章 绪论 1 1.1 课题背景及研究意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 有限元模拟在无铅焊点可靠性中的应用 2 1.3.1 QFP 器件焊点可靠性 3 1.3.2 片式电阻焊点可靠性 3 1.3.3 BGA/CSP 器件焊点可靠性 4 1.3.4 CCGA 器件焊点可靠性 5 1.3.5 FCBGA 器件焊点可靠性 6 1.4 无铅焊点可靠性相关理论 7 1.4.1 本构模型 7 Anand 方程 7 Garofalo-Arrheninus 模型 8 Norton 模型 9 Wong 模型 10 Wiese 模型 10 1.4.2 焊点疲劳寿命预测模型 11 Manson-coffin 的演化方程及其疲劳模型 11 单一蠕变疲劳寿命模型 11 综合塑性变形和蠕变的疲劳寿命预测方程 11 基于蠕变和应变能密度的疲劳寿命预测模型 12 万方数据 1.5 本文研究的内容 13 第二章 理论基础 14 2.1 温度场理论 14 2.1.1 热传递的基本方式 14 2.1.2 初始条件和边界条件 15 2.1.3 温度场的泛函表达式 17 2.2 热应力理论 20 2.2.1 热弹性理论基本方程 20 2.2.2 热应力的有限元方程 23 第三章 BGA 温度场模拟 25 3.1 热循环加载下条件下无铅焊点的可靠性分析 25 3.2 基础理论 25 3.2.1 线 非线 Von. Mises 屈服准则 27 3.3 模型假设 28 3.3.1 有限元模型的建立 28 3.4 热循环条件下的热应力模拟 36 3.4.1 模拟求解前的条件设定 36 3.4.2 模拟结果分析 39 3.4.3 焊球疲劳寿命预测 41 3.5 本章小结 42 第四章 验证不同因数对焊点可靠性的影响 44 4.1 钎料对焊点可靠性的影响 44 4.2 不同工艺参数下无铅焊点可靠性分析 47 4.2.1 焊盘尺寸对焊点可靠性影响 47 万方数据 4.3 本章小结 49 第五章 总结与展望 51 参考文献 52 申请学位期间的研究成果及发表的学术论文 54 致谢 55 万方数据 桂林理工大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 课题背景及研究意义 随着时代的发展进步微电子产品快速呈便携化、小型化和高性能的方向发展,焊球 阵列封装( BGA - Ball Grid Array) 、 系统级封装( SIP) 以及圆晶片级封装( WLCSP) 取 代了原始的通孔插装,使用在基板与芯片的连接,基板和印刷电路板的微焊点( BGA 球 或芯片凸点) 比例和尺寸从毫米级压缩减小至几十微米的细观尺度范围。英国的 [1] AIT( Advanced Inter-connection Technology Ltd) 公司 目前生产的最小钎料凸点( bump) 尺寸可在 15 μ m ,到现在为止生产加工的最小钎料凸点( bump) 凸点间距为 20 μm。遵 循专家的预测,在 2020 年之前,电子产品的这种发展趋向依然会遵从于摩尔定律 ( Moore’slaw) ,遵循每十八个月翻一倍的增长速度[2,3] ,这就象征了未来的焊点尺寸大 概在几微米或者是比微米还小的方向发展。封装尺寸在不断变小,被焊点所承载的电学、 力学和热力学负荷却在不断加重。封装版内的某个微小焊点的损坏就很有可能致使整体 器材的损坏,基于目前的发展要求,集成电路的互联技术已经成为了左右微电子及技术 快速发展的主要因素,尤其是焊点服役性能的正确表征,这些作用都跟使微器件设计制 造能力和服役的可靠性的提高有着密切的联系。因此,微电子封装焊点服役性能的准确 的表征方式以及有关的理论已经成为了这个畛域全世界学者关注的焦点。微电子封装焊 点的尺码介于宏观与微观范畴概念之间。在对探究焊点稳定性与可靠性的过程中,其中 一个不能够忽视的重要问题是几何尺度效应,它的熔化、凝固以及扩散的过程不但不能 完全用典型的钎焊理论来作解答,而且也不同于纳米尺度中量子尺度效应.在细观程度 下依赖传统力学、热学、电学以及金属学等方式取得的性能参数标准都体现出试样尺寸 的依附性,即这些本应为常数的参数却随试样尺寸变化而变化.纳米尺度下材料的量子 尺寸效应、表面效应和界面效应已经得到了材料物理界的深入研究,形成了较系统的理 论,而且已经成功的研发出诸多具有特别作用的纳米新材料。而对于细观尺度下加工工 艺、微结构的特征以及服役可靠性的探究,在当下,微电子封装畛域处于刚刚起步的阶 段。其中与几何尺寸效应和金属学相关性以及微结构的力学相关性都是探究的重点。此 文就针对微连接领域的尺寸效应问题的研究现状进行归纳概括。 1.2 国内外研究现状 目前,对于无铅焊点的可靠性研国内外究致力于两个方面:(1)研究和改善焊点自身 的可靠性,涵括无铅钎料的成分、焊点内部应力应变分析、以及性能对焊点的可靠性所 1 万方数据 桂林理工大学硕士学位论文 产生的影响的探究等。(2 )研究和发展预测无铅焊点失效的基本理论和测试技术,其中 包括钎料热循环条件本构方程研究、焊点的热疲劳寿命预测、焊点失效的可靠性加速试 验方法等[4,5,6]一旦应力超过焊点材料的屈服强度,焊点就会发生塑性变形并在应力的集 中处产生断裂现象,因为载荷作用的驱使,断裂会不断扩展,积累到一定程度时焊点就 会因此失效,这也就是最常见的焊点失效的具体过程[7、8] 。根据研究笔者发现:要想对 焊点在热循环载荷作用下的疲劳性能应用有限元数值进行研究,就必须将焊点模型的几 何参数、钎料的本构方程和封装器件所处的工作环境都考虑在内,因为这些因素都会对 [9] 焊点疲劳寿命的计算产生一定的影响 。关于 BGA 焊点的研究数据主要包括以下三个 方面,第一,焊料球最大径向、焊盘大小、焊膏的体积、焊点成形后的圆角形状都属于 模型的几何参数的显示范围;第二,钎料的力学性能则主要描述的是在热循环的载荷作 用之下,钎料的弹塑性、蠕变、应变硬化以及动态回复;第三,封装器件所处的工作环 境,关于这个方面因电子产品的领域不同,其相关的国际测试规范也有所不同,但是基 本上包含载荷温度的范围值、升降温速率以及高低温保温时间三个部分。目前,焊点疲 劳性能的研究也是国内外共同关注的问题。 1.3 有限元模拟在无铅焊点可靠性中的应用 由于计算机技术的不断升级与发展,使得有限元法的应用变化也不断地广泛,进入 到普通的生活中来。日渐成熟的有限元理论,逐渐成为了工程师进行工程分析和计算的 理论基础,一些具有极强前后处理功能和模拟分析能力的相关软件也是研究者进行分析 的有力工具,比如ANSYS 、MARC 、ABAQUS 等。 很多科研项目凭借有限元软件使得研究过程变得简化,与此同时,在各类期刊和会 议当中我们会经常看到用有限元法大量解决工程问题。有限元法的使用变得越来越普遍, 同时也逐步进入到了电子封装的范畴,这也就越来越便利了封装技术的策划,简化了其 计算处理。在微电子封装范畴内,到目前为止以 BGA 的探究状况为主,当然也存在于 很多电子元器件中,诸如:CSP、QFP、CR 等。这些元器件广泛使用对焊点朝更微小的 方向发展带来了实质性的动力。因为它不仅推动了现代表面组装技术的发展,而且还进 一步促进了电子产品安全性、可靠性和微小型发展方向。凡事都有双面性,在带来便利 的同时,也给焊点的实验处理带来了巨大的难题和挑战,因为焊点的应力具有一定的复 杂性,而且它还影响着焊点的可靠性能。有限元方法是一种可以化繁为简、节省时间的 解决问题的方法。像电子器件的比例尺寸等问题一样,有很多工程问题是不能够通过实 验进行解决的,但是可以使用有限元模拟的方法进行改进,这样也使得有限元方法有更 大的空间可以进一步地发展。虽然微电子焊接中有很多种类元器件,但是本文仅解析集 2 万方数据 桂林理工大学硕士学位论文 中较为常用的元器件的有限元模型,例如文中所提到的BGA 、CSP、QFP 等。在微组装 中,虽然焊点十分微小,但是其功能却不容小视,因为它要负责电气连接和机械连接两 大作用。焊点的可靠性直接影响到电子器件的整体功能。处于工作状态下的电子器件, 电路板材料和电子元器件材料之间热膨胀系数因不断变化的服役温度而无法配对成功, 从而在焊点中引起交变应力的反复,这样的情况得长时间持续会导致焊点被破坏进而致 使元器件失去效用。 1.3.1 QFP 器件焊点可靠性 在大规模集成电路中运用十分广泛的就是四边扁平引脚封装,简称 QFP 。因为它具 有众多优势,比如:间距细、可靠性高、电气性能优等。同时这也是它能对 QFP 元器 件的有限元模拟产生了深远的影响的原因。因为能够对元器件的可靠性产生影响的最大 [10] 因素是焊点,为了得到更为准确的计算结果,吴玉秀 在运用 ANSYS 软件仿拟的 QFP 元件封装的有限元网格模具时,细化了焊点的所有拐角部分。得出了的结论是:应力聚 集的较为明显的部位是焊点的最内侧以及与焊盘接触的中心部分。其原因是焊点内侧和 焊点外侧板在平面内的相对膨胀系数差值明显大于焊点外侧与 PCB 板在平面内的相对 膨胀系数差值,也就是说塑性变形最大处是焊点底面的内侧。然而,焊点最内侧底面也 包含了固然焊点最薄最弱的地方,极易产生损坏。通过条状单引线]分析在震动环 境下电子器件的可靠性得出:应力集中区域存在引线的拐角接近封装客体的区域,因此 [12] 整个电子器件的最薄弱区域就在于此。薛松柏 通过创建、使用 QFP 器材的四分之一 的有限元模具分析得出了拐角处最大的应力产生损坏的几率也最大的结论。此实验先是 采取 25~125 ℃的循环载荷的方式对模具进行加载,运用 Coffin-Manson 方程对疲劳寿命 进行了预算,获得 213 次的焊点的失效循环数值,然后再使用热循环实验进行论证,最 终获得焊点的疲劳寿命为 186 次,最后进行了 186 次的热循环试验,结果显示完全脆性 断裂方式是焊点的断裂形式,这也就证明了实验值和理论值极为相近。从而再一次证明 了关于QFP 器件焊点可靠性的研究,有限元模拟具有极为重要的参考贡献。 1.3.2 片式电阻焊点可靠性 通过用金属化焊盘来代替引线、成本低于传统有引线插装电阻器件、占更小 PCB 板的面积、小寄生参数、延时性更低且噪音小的片式电阻,也是一种较为常见的表面组 装元器件。它也能试用于高性能、高频以及高可靠性电路。型号为 2512 电阻的四分之 一网格模型是由 Ridout [13]通过 PHYSICA 有限元软件来构建,其阐释焊点裂纹扩展的三 个不同方向是以拉伸和弯曲试验的分析为依据的。Hegde 依据弹性有限元模型和弹-塑性 有限元模型分析研究了 1206 片式电阻器件 SnAgCu 焊点在-55-125℃的温度分布和焊点 3 万方数据 桂林理工大学硕士学位论文 应力-应变响应。其研究结果是:影响焊点的应力-应变行为的主要因素是分布不均的温 度场。作者在对弹塑性二维模型和三维模型研究后,发现焊点的拐角处存在着焊点的最 大残余应力,并且二维有限元模拟结果中最大等效应力低于三维模拟结果的约 20% 。林 [14] 建 等人针对片式器件,在解析焊点的热疲劳破坏过程时运用疲劳裂纹观测方法、电阻 测量方法。结合有限元,将此实验中焊点的热疲劳裂纹的的扩展与电阻变化的过程和传 统 SnPb 焊点与 Sn3.0Ag0.5Cu 无铅焊点的热疲劳破坏规律进行对比分析,探寻电阻值变 化和焊点热疲劳流程中的裂纹扩展这两者的关系,并得出了研究结果:相比较传统的 SnPb 焊点和 SnAgCu 无铅焊点的热疲劳寿命,其结果较少。在焊点结构电阻值、焊点 的热疲劳裂纹扩展均变化的状况下展现出较好地一致性。 1.3.3 BGA/CSP 器件焊点可靠性 BGA(Ball Grid Array)是指球栅阵列结构的 PCB ,它是集成电路采用有机载板的一种 封装法,其引出端焊点为圆球状,在封装体表面均匀分布。BGA 具有良好的机械性能, 其电学和封装密度完全能够满足使用要求,是一种良好的封装形式。较为常用的球栅阵 列器件通常是陶瓷球栅阵列(CBGA) 。在一般情况下,对于 CBGA 的封装样式,普遍认 为越趋向于真实形态的的焊点模型的建立方式,其通过计算得到的结论就越精确。 Perkins[15]利用有限元软件 ANSYS 采用完全相反的思路,将经常使用的球状焊点用柱状 焊点替代,使焊点的疲劳寿命能够精确的计算出,同时建立起来四分之一陶瓷球栅阵列 有限元模具。使用这种方法可以较为精细的对焊点阵列中位于对角线拐角处的网格划分, 而对于剩余的网格可以根据其使用性能要求大体划分,根据划分的网格进行有限元分析, 其计算结果与实验结果较为接近。邵东宝[16]等人建立了一种新的有限元模型,该模型将 整体和局部的特点结合起来,利用 MARC 对 CBGA 中的复合焊点进行应力应变累计分 析,其结果显示位于器件对角线地域的应力应变值比其他区域大出几倍。焊点的四个角 为焊点中的危险位置即与应力应变值、塑性变形均较大的位置重合,该位置远离芯片中 心一侧而靠近陶瓷衬底。杨平等人根据 Anand 黏塑性本构方程,采用二维有限元模型对 CBGA 中 SnPb 焊点的可靠性进行了深入研究, 其选择的基板材料为三类(AlN 、SiC、 Al O 和 BeO) ,根据焊点在热循环载荷下不同的应力应变响应,结果显示焊点应力应变 2 3 最小的基板材料为 BeO 板,而且最大的应力应变在最拐角焊点上比较集中。塑料球栅 阵列(PBGA)器件因具有高的封装密度、子数多的输入/输出端、引线电容/ 电感分布较低、 较大的引脚距离使其成为电子封装的常用组装形式。有关文献指出对 PBGA 器件 SnAgCu 无铅焊点可靠性影响和作用较大的参数为蠕变模型中比较有用的剖析温度载荷 参数,其拐角处同样出现了最大的应力应变,在循环载荷中第四个循环后应力应变滞回 曲线趋于稳定,温度的阶跃速率对焊点的应力、蠕变应变和应力松弛都有较大影响,一 4 万方数据 桂林理工大学硕士学位论文 般来说速率越低,应力变化较大,蠕变变化较小,应力松弛越大。Kim 采用有限元模拟 (塑性/蠕变本构方程)和试验验证的方法,根据传统的 SnPb 焊点和在循环弯曲载荷作 用下PBGA 器件的 Sn4.0Ag0.5Cu 焊点的失效性及可靠性研究焊点的应力应变响应特征, 结果表明传统的 SnPb 焊点的疲劳寿命明显低于 SnAgCu 焊点,而且新型焊点的疲劳裂 纹出现的部位也不同于传统焊点,一般开始出现在外部焊点,然后发展至内部。芯片尺 寸封装(CSP) 引起具有的特殊优点和高密度的封装特点使其广泛应用在相机、手机、PDA 等便携式电子产品领域。有限元能够有效的分析对 CSP 器件无铅钎料焊点的力学性能, Drveaux[17]构建了钎料的蠕变速率方程,模拟出来了在相同温度下 CSP 器件 SnPb 和 SnAgCu 两种钎料的 Von-Mises 应力曲线和蠕变速率,结果显示了 SnPb 的焊点的力学性 能较之 SnAgCu 焊点力学性能差,由此可见新型焊点在力学性能上具有较高的优势。 Lee[18]对引起 CSP 器件 SnPb 焊点的失效行为机制利用试验和有限元模拟的方法进行了 深入研究,结果中显示焊点的表面拐角处集中了最大的等效塑性应变,且最大值为 0.19%, 如图 1.1 (a )所示,因此危险焊点区域出现在如图位置,在使用过程中最先失效。有限 元的模拟结果的可靠性通过图 1.1(b)得到验证,图 1.1(b)是裂纹扩展路径在扫描电镜下 的微观形貌。韩潇根据ANSYS 有限元软件对 CSP 封装进行三维对称建模,在热循环加 载下,对 Sn3.5Ag 无铅焊点有关的粘塑性特性利用 Anand 本构模型进行描述,其结果同 Lee 的结论相似,都是在基板焊盘附近的边角焊点界面处出现了最大的塑性应变和最大 的塑性应变能密度。叶焕对焊点高度、芯片内部尺寸、基板纵向厚度、不同的钎料合金 利用田口法和有限元模拟的方法进行研究,同时分析了焊点的失效行为和可靠性。在研 究中提出了优化后的参数,该参数的引入可以很好的降低焊点的蠕变应变能密度,降低 幅度达到 78.4%,同时还能大幅度增加 CSP 器件的整体可靠性。 图 1.1 CSP 器件及焊点 1.3.4 CCGA 器件焊点可靠性 从目前的文献研究来看,大多集中在对球栅阵列数值模拟上,但是在柱状焊点上的 5 万方数据 桂林理工大学硕士学位论文 分析探究还鲜有报道。随着科技的发展,CBGA 封装技术已满足不了了时代的需要,因此 发展了 CCGA (陶瓷柱栅阵列)封装技术,该技术引起高密度输入/输出、SMT 组装技术标 准化程度高,可靠性较好、热性能和电气性能良好等优点在微电子行业应用十分普遍, 因此该种封装方式逐渐普及,是一种优先选择的易散热封装方式。Lau 借用 ANSYS 软件 首先建立了 1657CCGA 元器件,在三种不同的热循环加载条件下,通过对比 95.5Sn3.9Ag0.6Cu 与 63Sn37Pb 两种钎料的蠕变性能,结果表明了 SnAgCu 焊点的应力 值明显大于 Snpb 传统焊点的应力值,而比较与 nAgCu 焊点,SnAgCu 焊点的疲劳寿命明 显优于前者。模拟结果还表明在焊点的拐角处出现了最大的蠕变应变,这和实验的结果 相似,有限元的模拟结果正确性得到了较好的验证。皋利利在对 624CCGA 器件的进行三 维条状建模时,使用了 ANSYS 软件,根据现有的优化模拟剖析基础,对柱状焊点可能存 在的应变稳定性和可靠性进行模拟分析,结果指出:在整个器件中,最危险焊点出现在 器件中心的最远处,也就是说该处在使用过程中容易出现疲劳裂纹、应变集中等焊接缺 陷。 根据先前的研究,对焊点的尺寸进行优化分析,我们得出:应变的变化取决于焊点 的间距变化,一般来说对于焊点间距越大,其应变值就变大,但其变大趋势不是一成不 变的的,而是随着间距的增大应变逐渐趋于稳定;应变曲线随焊点的高度变化而变化, 如曲线为抛物线状,则焊点的高度一定是上升的,当焊点高度在 2.07mm 时,等效应变 去最小值;应变同时随焊点直径增加而单调上升;在实际生产中,应当根据应变较小的 原则选择合适的焊点尺寸。根据结果发现有限元模拟可以较为可靠的研究焊点力学性能 和器件的尺寸。 1.3.5 FCBGA 器件焊点可靠性 倒装芯片是一种新型的芯片粘结技术,不仅仅是传统的芯片互连技术,因此该项 技术具有很大的优势: (1)廉价的封装成本 (2)能够实现精准的焊接横向自对准,可以对凸点的大小和形状进行准确的控制。 (3)不同讯号之间的干扰较小,且信号在传输过程中延迟较短,其电性能较好,引线)芯片中具有的金属焊点和固体填充物使得器材的散热热阻较小,具有很高的散热 能力。 在倒装芯片栅阵列的封装形式的实现过程中,利用了焊球凸点这一形式,使得封 装基板和芯片的电连接得以实现。根据不同的使用性能,在基片底部安装裸芯片,其 安装方向为正面朝下,安装的高性能、高密度、多功能输入/输出引脚封装是其选择 6 万方数据 桂林理工大学硕士学位论文 的最佳选择。焊点裂纹较易产生的位置可以通过建立有限元软件来预测,Spraul 等人 研究了倒装球栅阵列焊点的失效模式,根据有限元软件 ANSYS 和 Surface evolver 软 [19] 件得到模拟结果,如图 1.2(a) 所示,在金属间化合物的位置处较易出现疲劳裂纹, 同时也是蠕变产生的最大位置,该结论得到了实验的验证,焊点图形如图 1.2(b)[20]。 还有些研究人员在研究了FCBGA器件在使用过程中易出现的翘曲等缺点加入了有限元 模拟,发现在基板厚度减小的同时其器件的封装翘曲程度逐渐增加,同时,基板厚度 的减小也会影响到焊点的塑性应变和位移,其变化趋势为线性降低。在基板的最拐角 处,焊点的等效塑性应变较小。另外在芯片表面和基板之间填充环氧树脂可以较好的 提高 FCBGA 器件整体的可靠性。 环氧树脂填充物的作用有两点: (1)能够有效的降低心芯片和基板之间的热失配问题,对于因热疲劳损伤和分 层现象引起的失效也有减轻作用。 (2)对焊球凸点起到保护作用,不受外界环境的影响。 Wang 等研究了填充物的具体影响,利用二维有限元模型研究了 FCBGA 热疲劳可靠 性的影响,其结果发现若要提高 FCBGA 的疲劳寿命需使用具有较好的弹性模量、较低 的线膨胀系数,玻璃转化温度也较低的填充物。同时,所建的稳态蠕变模型能够真实 的表现出焊点的特性。 图1.2FCBGA 焊点蠕变图 1.4 无铅焊点可靠性相关理论 1.4.1 本构模型 Anand 方程 根据钎料的实际熔化温度,在有限元模拟中设置钎料的熔点 183~230℃之间,在实 7 万方数据 桂林理工大学硕士学位论文 际使用过程中,钎料的温度可能达到实际熔点的 0.5 倍上下,而此时钎料温度的影响会 出现粘塑性,相关资料研究表明,当材料的归一化温度在 0.5 以上时,材料的蠕变和应 力松弛将会变得异常显眼。对于新型的钎料 490K 是 SnAgCu 钎料的熔点,而该熔点较 低,导致了室温条件下钎料的熔点已经超过熔点的 0.5 倍,到达了 0.61 倍。根据前面所 述,此时其应变松弛和蠕变应变变化异常,根据 Anand 方程,在分析蠕变和塑性变形引 起的变化后,可以对焊点的应力应变做一个精确的描述。 Anand 方程: .  1m Q 公式(1-1) p A[sinh( )] exp( ) s RT 内变量演化方程: . B . s {h ( B )a } 0 p B 公式(1-2 ) . s *  p Q n B 1 * s s [ exp( )] s A RT 由上面的公式 1-1,1-2 ,可以得知:材料的激活能为 Q,A 为前幂指数因子,ξ 是材 料的应力因数因子,n 是敏感饱和参数指数,s 是变形阻抗系数,m 是材料应变敏感系 数,a 是应变硬化敏感系数,s0 是饱和形变阻抗系数,h0 是材料硬化/软化常数。运用 Anand 方程建立模型对焊点进行可靠性模拟,然后对焊点的变形位移、最大应力应变分 布以及疲劳寿命分析。 Garofalo-Arrheninus 模型 根据众多的研究表明 Garofalo-Arrheninus[20,21]模型可以较为准确的对焊点的蠕变行 为和应力应变作一个真实的描述,基于此,许多学者对该模型寄于很大期望,采用该种 方法的具体步骤如下: 对 Garofalo-Arrheninus 模型国内的研究主要集中在利用该模型来模拟 SnAgCu 钎料 的本身结构关系,对不同的方程进行预测,探究了焊点的可靠性和不同疲劳寿命的方程 的适用性。国外的很多学者Vianco 和 Pang 、Kim 等人在 ABAQUS 软件环境下,重点研 究片式电阻器件焊点的非线性变形。研究发现焊点的疲劳裂纹集中出现在器件底面的拐 角处,同时也是应力应变集中的部位,该部位在使用过程中由于应力应变较为集中,焊 点的失效更为显著。Gonzales 等人利用 Marc 软件在该模型的基础上研究了倒装芯片器 件焊点的可靠性,对比了两种不同的共晶钎料(SnPb 与 SnAgCu )在热循环加载条件下 的蠕变行为和疲劳寿命,结果表明:SnAgCu 焊点所具有的疲劳寿命明显高于前者的疲 8 万方数据 桂林理工大学硕士学位论文 劳寿命,高出幅度达到 27%-51%,这一结果出乎研究者的意料。正因为此,这种结果为 发展无铅高密度组装做好了扎实的理论基础。开发新型的材料是提高性能的关键,因此 在传统 SnAgCu 基础上通过加某些微量的碳纳米管材料研发出来一种新型的材料 SnAgCu-CNT,该种材料可以较好的提高力学性能,同时降低线膨胀系数,而其熔点却 没有多大变化。该种材料的研发使得电子封装技术得到快速发展,满足其使用需求。为 更好的提高其使用性能,有些研究人员利用 Garofalo-Arrheninus 模型对 SnAgCu-CNT 的 蠕变性能[22]进行分析,得到了较好的结果。 Norton 模型 Norton 模型在计算材料应变率中经常被用到,在此模型中假设材料应变由弹性和非 弹性应变组成。 el crp . . .    ij ij ij 公式 (1-3 ) el crp . . . 其中:总应变量(ij ),弹性应变量(ij ),蠕变应变量(ij )将非弹性应变部分当作 稳态蠕变应变量,描述的稳态蠕变模型可以用 Norton 方程来表示 方程如下: . 3 Sij Q crp * n ij 2 B e  exp[ RT ] 公式(1-4 ) e 在方程之中:Q 为材料的激活能,n 为材料的应力指数,T 为绝对温度,R 为波尔兹 * B 曼常数(8.63e-5eV/K), 是材料常数,σ ε 是 Von Mises 应力,可以定义如下: 3 1  S S 偏应力张量为:S     e 2 ij ij ij ij 3 ij kk .  Del : ( crp t crp ) ij tt ijkl kl tt kl t kl t 许多情况下也可以直接用减切应力构建 Norton 方程,如下式所示 d * Q  c B exp[ ]n d kT t 公式(1-5 ) 公式中,n 是应力因子,τ 表示减切应力,K 是波尔兹曼常数(8.63e-5eV/K),γ c 为稳态减切蠕变应变,B 为材料常数。Gonzalez 等人使用 Norton 方程来表示 SnAgCu 的本构关系,同时借用焊点疲劳寿命模型建立了 SnAg 和 SnPb 之前的本构关系,在热 循环条件下对比锌和银及铜三种材料的累计非弹性应变,经过试验结果可知焊点失效的 主要原因是材料在热循环下的蠕变应变导致的。Zhang 在不同的焊点之下采用 Norton 方 9 万方数据 桂林理工大学硕士学位论文 程研究 63Sn37Pb 这种材料的本构关系,同时分析这种材料对焊点疲劳寿命起到的效果。 在 Norton 模型下 Lee 使用 Abaqus 软件对焊点疲劳受到材料属性的影响进行模拟研究, 结果发现在一定范围内不同的弹性模量对材料疲劳寿命的影响不同,在研究中由于线性 膨胀系数变化程度较小导致研究结果差别较小,和弹性模量的影响相比作用不明显。但 是当激活能大于特定的值时,材料的焊点疲劳寿命因着激活能的变化十分明显,因此可 知两者具有显著的影响,为选择焊点材料提供根据。 Wong 模型 在对模拟的解析过程中,Dorn 方程 dscr n Q 公式(1-6 ) A [sinh()] exp( ) dt RT 的类型应用的比较广泛,Dorn 模型通过进一步的发展和演变形成了 Norton 模型,Dorn 方程经过 Wong 等人的修改指正,继而得出了 Wong 模型,该模型的应用也较为广泛。 n1 n2 . H  H        cr B exp    B    1 2 kT E kT E       上述公式中 E、H、B /B 分别是材料弹性模量和激活能及常数,k 是波尔兹曼常数看, 1 2 σ 为 Mises 等效应力,n /n 为应力因子。有资料曾经阐述过根据材料的弹塑性及蠕变 1 2 性能来建立 Wong 模型,当对材料进行循环加载时来分析材料焊点内部的应力和应变关 系,通过对 SnPb 材料的模拟分析,得出以下结论:这种材料在循环温度之下焊点内部 出现阴历循环的原因是由材料的应力和应变响应引起的,同时还引起棘轮效应,换言之 材料会出现非弹性应变持续积累的现象。 Wiese 模型 Wises 等学者对 SnAg 和 SnAgCu 材料的焊点本构方程进行分析,第一项是材料在 低应力状态下焊点蠕变效率,材料主要以位错攀移为主;而第二项则是材料在高应力状 态下焊点的蠕变效率,此时材料主要以攀移和滑移两种形式为主。Stoechl 则采用 Wiese 和正弦模型对材料 Sn4.0Ag0.5Cu 进行焊点本构研究,同时借用 Ansys 程序对材料在不 同模型中的焊点疲劳寿命进行分析,通过研究发现这种材料在这两种模型中疲劳寿命十 分相似,并且模拟和实验结果吻合。李晓延采用双指数本构模型和正弦焊点疲劳寿命模 型对 BGA 器材 SnAgCu 材料进行焊点本构研究,结果发现材料在前者状态下的疲劳寿 命长于后者的寿命,经过试验数据证实结论相吻合。 10 万方数据 桂林理工大学硕士学位论文 1.4.2 焊点疲劳寿命预测模型 Manson-coffin 的演化方程及其疲劳模型 通常情况下用 Manson-coffin 公式来表示金属材料低周期疲劳失效,这个公式可以 分析出材料塑性变形和寿命之间的影响关系,其公式有: N   C f p 公式 (1-7 ) 公式中:其中循环塑性应变量用 Δε 表示;热疲劳失效的平均寿命用 N 表示;经 p f 验常数 β ,C 对该模型采取了准确度的修正,根据温度和频率的双重效应下,得出了: 1 1    c N   f 2 2   f  公式 (1-8 ) 公式中: 2ε ≈0.65;SnPb 钎料而言是平均失效循环的次数(N );剪切应变范围用 f f Δγ 表示;疲劳延性指数用 C 表示, 4 2 公式(1-9 ) c 0.442 610 TS 1.74 10 In(1f ) 在此之中:循环频率(f);焊点平均温度用T 来表示;1 ≤ f≤ 1000 每日的循环 次数。 单一蠕变疲劳寿命模型 Fox 与 Shine 根据材料的蠕变应变和疲劳寿命的关系建立了相关模型和方程,如下 所示: C N f  MC  nMC MC C0    dt    0   其中单一循环蠕变应变用Δγ 表示,焊点失效循环次数用 N 表示,C 是钎料结构 MC f 常数,单一蠕变疲劳寿命模型是材料内部微观结构经过晶界滑移或者位错而形成的。 综合塑性变形和蠕变的疲劳寿命预测方程 在 Manson-coffin 模型中只注重了塑性应变对疲劳寿命的影响,而没有引入蠕变应 变对寿命的关系,因此对其进行修正之后得到的方程如下: 通过等效塑性应变作为基本性质的循环数目: 11 万方数据 桂林理工大学硕士学位论文 C N plastic_ eqv C2 1 公式(1-10) eqv_ plastic_ strain 把累积塑性应变作为基本性质的循环数目: C N plastic_ strain C2 1 公式(1-11) plastic_ strain 把 Von Mises 蠕变作为基本性质的循环数目: C N 3 公式(1-12) creep _ eqv  eqv_ creep _ strain 综合 1-10 和 1-11 及 1-12 的方程可得到寿命计算公式 (1-13)、(1-14):  1 1 1 N    公式(1-13) f N N   plastic_ strain creep _ eqv   1 1 1 N    公式(1-14) f N N   plastic_ eqv creep _ eqv  基于蠕变和应变能密度的疲劳寿命预测模型 美国学者 Syed 研究了材料的蠕变应变和应变能密度对材料疲劳寿命的影响关系, 并且建立了相应的模型,这种模型所进行的生命预报手段是用蠕变变形而来的,Syed 觉得循环负荷的多次载入会导致材料发生蠕变反应,而且蠕变可以由符合累计来表示, 从而可得知寿命预测方程为:(1-16)。 1 Nf W acc  公式(1-16) 这个方程式里:焊点疲劳失效的循环周期次数 N ;焊点疲劳失效时的应变能量密度 f 用 W表示;焊点进过每一次循环合计的蠕变应变能密度用ω ;f 为 1 天内热循环频率。 acc 针对单一的蠕变机制时来预测蠕变寿命疲劳可以用(1-15)、(1-16)预测方程,但对于 两种蠕变机制均发生时,寿命预测方程将发生变化,如式(1-17)和(1-18) 。 1     N C  C  公式(1-17) f  acc  acc 1     N W W  公式(1-18) f  acc  acc 式中: C ,C 为蠕变应变模型常数;W ,W 为蠕变应变能密度模型常数。 1 2   12 万方数据 桂林理工大学硕士学位论文 1.5 本文研究的内容 对焊点实用性进行科学了解要通过验证焊料合金含量和另外一些工艺因数来进行。 如今对微焊点的科学实验表明大部分是鼓状,它们的标准比较杂乱,这篇文章我们整合 各方面资料使用有限元数值模拟以及加速热循环的验证手段,进而了解两种不同无铅钎 料下焊点在热循环载荷作用下所产生的应力变化形态,以此来了解上述两点因数对焊点 的热疲劳寿命的影响,封装方面焊球直接与焊盘接触,本文在保证焊点质量的同时对比 不同尺寸的焊盘对焊点疲劳寿命的影响。 13 万方数据 桂林理工大学硕士学位论文 第二章 理论基础 2.1 温度场理论 大自然中普遍存在热胀冷缩效应,我们的焊点工作中有很多构造和零件都是在冷热 交替的环境下试验。若是由于结构和部件产生了内外环境的限制,致使工作中的热胀冷 缩出现问题,那结果会是上述的零部件会出现热应力。所以我们的试验研究要了解一个 概念,温度场。即在很短一时间内,空间后者一个物体里全部温度分布的总称。它是个 数量场,是一个空间坐标及时间函数,能通过一个数量函数标明[23] 。 T = f ( x , y , z , t) 公式 (2-1) 式中,x,y,z 为空间直角坐标,t 为时间。我们可以通过设立一个温度场的导热微 分方程来判定物体里的温度场。设立这个方程我们要用到能量守恒定律,换言之就是设 立可微分的体积来测试能量传递进度,并对微分体积表示的能量方程进行微分,从而得 出以下公式: t   t    t    t  c k  k  k qv 公式(2-2)    x  x  y  y  z  z  在上面方程式中,我们将温度 (℃)设为 T,进行的时间(s)设为 t,材料的导热系 数 ( W /m℃)设为 k,内热源的发热率(W/s),材料密度设为ρ ,材料比热容( J /kg℃) 设为 C,条件若这个物品中没有内热源,则这个微分方程改为: t   t    t    t  c k  k  k     x  x  y  y  z  z  公式(2-3) 这个方程式表示在一定的时间内进入的单位体积热量与一定时间内这个单位体积 重物质的内能增加数量相等。而另外的流焊过程中,通过 t   t    t    t  c k  k  k qv 公式(2-4)    x  x  y  y  z  z  可以知道材料密度是ρ ,比热容为 c,热导率是 k,这个公式是温度的函数,因此 随着这些值的改变温度会随之改变。此外材料的温度还受热辐射和热对流及传热方式

  “原创力文档”前称为“文档投稿赚钱网”,本网站为“文档C2C交易模式”,即用户上传的文档直接卖给(下载)用户,本站只是中间服务平台,本站所有文档下载所得的收益归上传人(含作者)所有【成交的100%(原创)】

http://romanyk.net/fengzhuangkekaoxing/557.html
锟斤拷锟斤拷锟斤拷QQ微锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷微锟斤拷
关于我们|联系我们|版权声明|网站地图|
Copyright © 2002-2019 现金彩票 版权所有