基于焊點(diǎn)形態(tài)分析的小節(jié)距BGA焊盤尺寸設(shè)計(jì)

陳軼龍　賈建援　付紅志　朱朝飛

1.西安電子科技大學(xué)，西安，710071　　2.中興通訊股份有限公司，深圳，518000

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基于焊點(diǎn)形態(tài)分析的小節(jié)距BGA焊盤尺寸設(shè)計(jì)

陳軼龍1賈建援1付紅志2朱朝飛1

1.西安電子科技大學(xué)，西安，7100712.中興通訊股份有限公司，深圳，518000

摘要：為了尋找BGA焊點(diǎn)體積、焊盤尺寸及焊點(diǎn)節(jié)距之間的最佳匹配關(guān)系以提高焊接成品率，研究了焊點(diǎn)形態(tài)對(duì)焊接高度的影響。通過(guò)Runge-Kutta方法求解帶體積約束的Young-Laplace方程，仿真分析了特定節(jié)距下焊點(diǎn)體積與焊盤尺寸對(duì)焊接效果的影響。結(jié)果表明，焊點(diǎn)體積的變化會(huì)使得整個(gè)焊點(diǎn)高度與承載力的關(guān)系曲線向左或者向右平移，而焊盤直徑則對(duì)焊點(diǎn)的最大高度影響更加明顯。需要同時(shí)改變焊點(diǎn)體積及焊盤直徑以得到能夠適應(yīng)相應(yīng)封裝形式的翹曲變形。最后，按照中興通訊股份有限公司某封裝的0.4 mm節(jié)距BGA的標(biāo)準(zhǔn)，分析了0.35 mm節(jié)距及0.3 mm節(jié)距BGA封裝下焊點(diǎn)體積與焊盤直徑的最佳匹配關(guān)系。

關(guān)鍵詞：球柵陣列封裝；承載力；焊盤；節(jié)距

0引言

電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，產(chǎn)品功能逐漸完善，性能不斷提高，電子產(chǎn)品朝高速化、小型化及多功能化發(fā)展。球柵陣列(ball grid array，BGA)封裝作為一種主要的封裝形式，必須使焊點(diǎn)體積及焊點(diǎn)節(jié)距越來(lái)越小，才能在相同大小的芯片內(nèi)封裝更多的互聯(lián)焊點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)更多的功能。0.4 mm節(jié)距的封裝器件為當(dāng)前主要使用的最小節(jié)距的封裝形式。0.35 mm節(jié)距及0.3 mm節(jié)距的封裝形式是當(dāng)前的主要攻克難題。當(dāng)焊點(diǎn)節(jié)距小到一定程度時(shí)，工藝上會(huì)出現(xiàn)很多困難。

影響小節(jié)距焊接工藝的因素有很多。然而，焊接工藝最主要的目標(biāo)就是焊接成品率。研究表明，焊點(diǎn)形態(tài)對(duì)焊接可靠性有直接影響[1-2]。考慮焊點(diǎn)體積的不可避免的制造誤差及器件不同材料不同的熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致的芯片熱翹曲變形，焊點(diǎn)形態(tài)需要在芯片任意位置適應(yīng)不同的芯片翹曲變形量才能達(dá)到較高的焊接成品率[3]。因此，隨著封裝節(jié)距的變小，如何設(shè)計(jì)焊點(diǎn)體積與焊盤尺寸的工藝參數(shù)以使焊點(diǎn)能夠適應(yīng)芯片的翹曲變形尤為重要。目前，人們大多是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法來(lái)設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，理論研究并不多見(jiàn)[4-5]。

本文將初值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為邊值問(wèn)題，考慮體積約束，通過(guò)Runge-Kutta方法求解Young-Laplace方程，得到焊點(diǎn)形態(tài)及焊點(diǎn)的剛度曲線。再通過(guò)對(duì)0.4 mm節(jié)距封裝形式的仿真分析，得到了焊點(diǎn)體積及焊盤尺寸與焊點(diǎn)剛度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后，按照0.4 mm節(jié)距封裝的翹曲形式仿真分析了適合0.35 mm及0.3 mm節(jié)距封裝形式的焊點(diǎn)體積及焊盤尺寸工藝參數(shù)。

1BGA焊點(diǎn)形態(tài)及其受力預(yù)測(cè)

1.1焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)

眾所周知， Young-Laplace 方程可以描述靜態(tài)液滴在沒(méi)有容器時(shí)的形態(tài)。這個(gè)方程能夠表達(dá)液滴表面自由能極小化及表面積極小化的狀態(tài)[6-7]。圖1給出了一個(gè)BGA焊點(diǎn)在焊接過(guò)程中液態(tài)下的模型及其必要參數(shù)。其中，陰影部分為焊盤的位置。圖1中，h為焊點(diǎn)高度；ru、rd分別為上下焊盤半徑；θu、θd分別為上下焊盤與焊點(diǎn)接觸角；W為焊點(diǎn)的承載力；p為焊點(diǎn)內(nèi)壓力；T為焊點(diǎn)表面張力；ρ、ρ′為曲面上任意一點(diǎn)的兩個(gè)主曲率半徑。

圖1　BGA焊點(diǎn)焊接液態(tài)模型

如圖1所示，在柱坐標(biāo)系下Young-Laplace方程為

(1)

其中，液態(tài)焊點(diǎn)內(nèi)部壓力為

p=pm-γgz

(2)

圓周向主曲率為

(3)

式中，γ為焊點(diǎn)的密度；z為液橋高度；pm為底部壓強(qiáng)；g為重力加速度；θ為液橋的張力角；r為液橋半徑(即焊點(diǎn)半徑)。

考慮豎直方向的力平衡關(guān)系，有

(4)

其中，V0為焊點(diǎn)初始體積。由于Young-Laplace方程并不是一個(gè)封閉的方程，我們并不能得到需要的結(jié)果，因此，引入曲率k：

(5)

液態(tài)焊點(diǎn)的體積為

(6)

根據(jù)圖1，結(jié)合式(5)和式(6)，可以得到能夠求解焊點(diǎn)形態(tài)的狀態(tài)方程組：

(7)

給定表面張力T、焊點(diǎn)密度γ、焊點(diǎn)承載力W和焊點(diǎn)初始體積V0，使用MATLAB軟件通過(guò)Runge-Kutta方法求解狀態(tài)方程(式(7))可得到焊點(diǎn)形態(tài)。

對(duì)無(wú)鉛焊料 Sn96Ag3.5Cu0.5進(jìn)行分析，各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1　焊料參數(shù)

在焊接的自組裝過(guò)程中，由于芯片的翹曲變形，位于芯片不同位置的焊點(diǎn)，其高度將會(huì)不同。由此，有些焊點(diǎn)會(huì)承受拉力，其他焊點(diǎn)則承受壓力，而所有焊點(diǎn)的受力總和將與芯片重力達(dá)到平衡狀態(tài)。所以，當(dāng)給定不同的承載力W時(shí), 焊點(diǎn)將會(huì)有不同的形態(tài)及高度。圖2所示為不同承載力下的焊點(diǎn)形態(tài)仿真結(jié)果?？梢钥闯?，焊點(diǎn)承載力不同時(shí)，焊點(diǎn)的高度和焊點(diǎn)的最大徑向尺寸完全不同，而這正是影響焊點(diǎn)是否會(huì)被拉斷或者橋連的主要因素。

圖2　不同焊點(diǎn)高度的焊點(diǎn)仿真形態(tài)

1.2焊點(diǎn)不同高度下受力分析

式(1)不僅是描述液體形態(tài)的方程，同時(shí)又是描述液膜力平衡的方程。一個(gè)特定體積的液態(tài)焊點(diǎn)在不同的承載力下有多種可能的形態(tài)，然而，它的最大高度是有限的，當(dāng)給定焊盤等邊界條件時(shí)，特定體積的焊點(diǎn)所能達(dá)到的最大高度是確定的。超過(guò)最大高度的焊點(diǎn)形態(tài)是不符合物理事實(shí)的，不能夠通過(guò)方程求解[8]。但是，如果考慮焊點(diǎn)可以被擠壓出焊盤的潤(rùn)濕區(qū)域到阻焊層上，那么焊點(diǎn)的最低高度是不好確定的。因此，本文規(guī)定，當(dāng)焊點(diǎn)的最大徑向直徑大于焊點(diǎn)節(jié)距時(shí)定義為失效。根據(jù)1.1節(jié)中的焊點(diǎn)形態(tài)的預(yù)測(cè)，得到焊點(diǎn)高度與承載力的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3　焊點(diǎn)高度與承載力關(guān)系

圖3中，每一個(gè)黑點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的焊點(diǎn)形態(tài)。橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的曲線范圍提供了判斷自組裝過(guò)程中焊點(diǎn)的失效準(zhǔn)則。如果芯片的間距大于焊點(diǎn)最大高度，則焊點(diǎn)會(huì)被拉斷形成斷路。如果芯片間距小于焊點(diǎn)最低高度，則焊點(diǎn)可能與周圍的焊點(diǎn)橋連而斷路。通過(guò)縱坐標(biāo)，可以得到特定高度焊點(diǎn)的承載力，大于零則承受壓力，小于零則承受拉力。要想提高焊接成品率，就需要提高焊點(diǎn)的高度范圍，以適應(yīng)芯片翹曲變形。

2焊點(diǎn)高度范圍仿真分析

2.1體積及焊盤尺寸對(duì)焊點(diǎn)高度范圍的影響

本文對(duì)中興通訊股份有限公司提供的某型號(hào)的封裝器件的BGA焊點(diǎn)進(jìn)行仿真分析。其封裝節(jié)距為0.4 mm。通過(guò)改變焊點(diǎn)的體積及焊盤的尺寸來(lái)尋找最佳的工藝參數(shù)配比。圖4和表2所示為焊盤直徑為0.25 mm不變，改變焊點(diǎn)體積得到的焊點(diǎn)最大高度和焊點(diǎn)最小高度范圍。圖4中的曲線序號(hào)對(duì)應(yīng)于表2中的數(shù)據(jù)。

圖4　不同焊點(diǎn)體積下的焊點(diǎn)高度與焊點(diǎn)承載力的關(guān)系

序號(hào)焊點(diǎn)體積(10-2mm3)焊點(diǎn)最小高度(mm)焊點(diǎn)最大高度(mm)10.560.08570.198020.680.09770.218930.820.10760.241740.970.12240.266151.150.13880.2918

由圖4和表2可以看出，當(dāng)焊點(diǎn)節(jié)距與焊盤直徑確定時(shí)，隨著焊點(diǎn)體積的增大，焊點(diǎn)高度與承載力的關(guān)系曲線會(huì)整體向右移。也就是說(shuō)，當(dāng)焊點(diǎn)體積增大時(shí)，焊點(diǎn)能夠更好地適應(yīng)翹曲量相對(duì)較大的封裝形式。然而，焊點(diǎn)適應(yīng)小翹曲量的能力變差，也就是說(shuō)焊點(diǎn)更容易與附近的焊點(diǎn)橋連而形成短路。

圖5和表3所示為焊點(diǎn)體積為0.82×10-2mm3時(shí)，改變焊盤直徑得到的焊點(diǎn)最大高度和焊點(diǎn)最小高度范圍。圖5中的序號(hào)對(duì)應(yīng)于表3中的數(shù)據(jù)。

圖5　不同焊盤直徑下的焊點(diǎn)高度與焊點(diǎn)承載力關(guān)系

序號(hào)焊盤直徑(mm)焊點(diǎn)最小高度(mm)焊點(diǎn)最大高度(mm)10.210.10180.305320.230.10450.279630.250.10760.241740.270.11310.225650.290.11410.1971

由圖5和表3可以看出，當(dāng)焊點(diǎn)節(jié)距和焊點(diǎn)體積確定不變時(shí)，隨著焊盤直徑的增大，焊點(diǎn)高度與承載力的關(guān)系曲線范圍會(huì)減小。焊盤直徑的增大使得焊點(diǎn)最小高度增大，而焊點(diǎn)最大高度減小。但是，可以看出，焊盤直徑的變化對(duì)焊點(diǎn)最大高度的影響更明顯。

考慮到焊點(diǎn)體積存在不可避免的制造誤差以及焊點(diǎn)位置分布的隨機(jī)性，為了能夠更好地適應(yīng)相應(yīng)封裝形式的翹曲變形量，減小焊點(diǎn)斷路或短路的可能性以提高焊接成品率，就需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮焊盤直徑、焊點(diǎn)節(jié)距與焊點(diǎn)體積三者之間的匹配關(guān)系。

2.20.35 mm及0.3 mm節(jié)距封裝的工藝參數(shù)仿真

對(duì)于中興通訊股份有限公司提供的該封裝器件0.4 mm節(jié)距的封裝形式，最終得出了焊點(diǎn)體積為0.82×10-2mm3、焊盤直徑為0.25 mm的最佳匹配關(guān)系，能夠適應(yīng)芯片的翹曲變形，提高焊接成品率。面對(duì)目前尋求的更小節(jié)距的封裝形式，就需要改變焊點(diǎn)體積及焊盤直徑的尺寸。按照相同封裝形式的翹曲變形量，表4給出了0.40 mm、0.35 mm和0.30 mm節(jié)距情況下的最佳焊點(diǎn)體積及焊盤直徑參數(shù)。圖6給出了三種不同節(jié)距s下焊點(diǎn)高度與承載力的關(guān)系曲線，三條曲線的橫坐標(biāo)范圍基本相同，從而能夠適應(yīng)相同的封裝形式下的翹曲變形。

表4　同節(jié)距下的最佳工藝參數(shù)

圖6　不同節(jié)距s的焊點(diǎn)高度與承載力的關(guān)系

3結(jié)論

(1)焊點(diǎn)體積的變化會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)的最大高度和最小高度同時(shí)變化；焊盤直徑的改變對(duì)焊點(diǎn)最大高度有明顯影響。

(2)需要同時(shí)調(diào)整焊點(diǎn)體積及焊盤直徑才能使焊點(diǎn)適應(yīng)相應(yīng)封裝的翹曲變形，提高焊接成平率。

(3)本文所述方法可以為新產(chǎn)品提供一種理論設(shè)計(jì)方法，降低試驗(yàn)成本。

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(編輯王旻玥)

收稿日期：2016-01-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61201021)

中圖分類號(hào)：TG454

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.13.015

作者簡(jiǎn)介：陳軼龍，男，1988年生。西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)殡娮臃庋b可靠性。賈建援，男，1952年生。西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。付紅志，男，1979年生。中興通訊股份有限公司高級(jí)工程師。朱朝飛，男，1984年生。西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院博士研究生。

Design of Fine Pitch BGA Solder Joint Pad Based on Solder Joint Shape Analyses

Chen Yilong1Jia Jianyuan1Fu Hongzhi2Zhu Zhaofei1

1.Xidian University,Xi’an,7100712.ZTE Corporation,Shenzhen,518000

Abstract:The influences of solder joint shape on the solder joint height were studied to find the optimal matching relations of the volume, the pitch and the pad of BGA solder joint to increase solder yield. The Young-Laplace equation with the constraint of the volume was solved based on the Runge-Kutta method. The influences of the solder joint volume and diameter of pad on the solder joint height range were simulated. The results show that the whole solder joint height range shifts left or right with the changing solder joint volume. The influences of the pad diameter on the maximum height of the solder joint are of more obvious. The warping adapting to the package might be obtained by changing solder joint volume and pad diameter at the same time.Based on the standard of a 0.4 mm pitch of BGA package of ZTE, the optimal matching relations of the solder joint volume and the diameter of the pad were analyzed with the 0.35 mm pitch and 0.3 mm pitch respectively.

Key words:ball grid array(BGA) package; carrying capacity; pad; pitch