PBGA中环氧模塑封装材料的热力学应力分析

发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:515

秦连城郝秀云杨道国刘士龙

(桂林电子工业学院，广西桂林 541004）

摘要：本文采用有限元模拟的方法，对塑封焊球栅阵列pbga的再回流焊接过程及其后的热循环进行了仿真，其中环氧模塑封装材料emc采用了粘弹性和线弹性两种材料模式。仿真中主要对emc再回流焊接过程产生的残余应力和热循环载荷下的热应力／应变进行了分析；也讨论了emc材料模式对应力值的影响。结果表明：线弹性模式的emc的应力值明显高于粘弹性模式的；在热循环载荷下emc中应力水平并不高，但开裂应变却非常高，因此在emc中很可能引发疲劳裂纹。

关键词：塑封焊球阵列封装(pbga)；环氧模塑封装材料(emc)；有限元仿真；热循环

中图分类号：tn305．94 文献标识码：a 文章编号：1681-1070(2004)06-26-04

1 引言

电子封装对小型、高密度、高可靠性的要求，导致了塑封焊球阵列pbga技术的迅速发展[1，2]。环氧模塑封装材料emc由于它较好的性能价格比，已经成为pbga封装中不可缺少的一部分。但是emc的热疲劳失效是微电子器件失效的主要原因之一，这主要是由于电路的周期性通断和环境温度的起伏变化，封装器件将经受温度循环，在温度循环过程中，由于封装器件各材料间热膨胀系数的不同，在emc内部将会引发裂纹并扩展，最终导致热疲劳失效。关于焊点的热疲劳失效已经有很多学者进行了研究[9]，但对emc热疲劳失效的研究却很少，因此本文以讨论emc为主。

由于电子器件朝着体积微小化、高互连密度方向发展，使得对实际的微电子器件进行热机械性能测试变得非常困难甚至不可能，因此有限元模拟已经成为电子器件热机械可靠性模拟分析的主要手段[3]。本文作为emc热疲劳失效研究的前期工作，主要通过有限元仿真的方法模拟了pbga的再回流焊接过程及其后的热循环，并对emc再回流焊接过程产生的残余应力和热循环载荷下的热应力／应变进行了分析。又由于很多文献中为了模拟的简便，将粘弹性的emc材料假定为线弹性的[4]，使得模拟结果与实际差异较大，因此本文对emc采用了粘弹性和线弹性两种材料模式进行分析比较，结果表明线弹性材料模式夸大了组装过程和热循环过程中emc的应力值，因此由此产生的可靠性分析结论也是极为不准确的。

2 pbca的有限元仿真

2．1 几何尺寸及有限元网格划分

本文对一个全阵列pbga封装器件进行模拟，结构如图1所示，硅芯片组装在bt基板上，周围由emc封装起来，bt基板又通过63sn／37pb焊点与fr4基板连接起来。(出于简化的需要，该pbga器件忽略了粘结剂和引线等)

该pbga具有15×15的焊球阵列[5]：焊球直径是0．76mm，间距是1．5mm，芯片为10mm见方，emc为24mm见方，bt基板为27×27，fr4基板为27×27，(单位为mm)。

研究中采用二维有限元模拟pbga的热—机械可靠性问题。

考虑到该封装器件的对称性，仅取其中一半进行模拟分析。其有限元网格如图2所示：其中，b-c-d为emc和硅芯片的交接线，e点为硅芯片、emc和bt基板三者交接附近在emc上的一点。

有限元分析中的边界条件：对称轴上的节点施加x方向的约束(u=o)，位于对称轴上的左下角节点施加y方向的约束(u=v=0)。

2．2 模拟中热载荷

模拟中采取的热载荷主要包括从固化温度的冷却，再回流和三个热循环：从emc的固化温度175℃以10％／min的速率冷却到室温25℃(1-2)；在室温下保持30min(2-3)；接下来是焊点的再回流过程：用lmin的时间便温度从25℃升到150℃，完成基板和器件的预热，然后在150℃,叵温3min，使助焊剂挥发，再用10s使温度从150％升到183℃，进一步清除焊剂。之后就是再回流，即用15s从183℃到220％，保持数秒后，再用15s，从220℃降到183℃。最后由183℃自然冷却到室温，用2min(3-4-5)；其后在室温下保持30min(5-6)；最后开始热循环加载：参照美国军标mil-std-883，温度循环范围是-55℃-+125℃，循环周期是30min／周，其中高低温驻留时间各10min，升降速率是36％／min(6-7)。其曲线如图3所示：

2.3 材料特性