增強型CCGA焊柱的熱疲勞壽命研究

張元偉，張煒杰，鄒振興，方玉財，張振越

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

0 引言

陶瓷柱柵陣列（CCGA：Ceramic Column Grid Array）封裝形式的器件基板和PCB板之間的距離的增加，有效地降低了器件基板和PCB之間由于熱膨脹系數(shù)不同而引起的焊料剪切變形，降低了封裝內(nèi)部的熱應(yīng)力變化，提高了焊料在不同溫度變化范圍內(nèi)的可靠性；同時有利于封裝散熱，為芯片提供更加適宜的工作均溫和更高的使用結(jié)溫，更好地滿足惡劣環(huán)境的適用性[1-3]。CCGA的焊柱與器件基板的接觸面大且互聯(lián)更短，有利于降低電感和電容，提高封裝的電性能[4]。

CCGA封裝器件的外引出端達2 000級及以上的情況下，器件基板與PCB板之間的焊柱的可靠性要求更高，因此開發(fā)增強型CCGA封裝結(jié)構(gòu)。增強型焊柱借助焊柱良好的耐蠕變能力，更好地適應(yīng)器件基板與PCB板之間由于熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的熱應(yīng)力問題，有效地提升高密度、多引出端的CCGA產(chǎn)品的可靠性。利用有限元進行溫度循環(huán)疲勞仿真，仿真條件參照GJB 548B—1010.1方法。用于研究的焊柱包括鍍銅型焊柱和銅帶纏繞型焊柱，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，借助基于應(yīng)變范圍的Coffin-Manson及其演化公式，進行疲勞壽命的評估，確定可靠性最優(yōu)的焊柱類型。

圖1 增強型焊柱結(jié)構(gòu)示意圖

1 仿真模型

1.1 幾何模型

以尺寸為52 mm×52 mm且采用50×50陣列的CCGA封裝為研究對象。假設(shè)材料致密均勻，不考慮缺陷，將器件簡化為陶瓷基板、焊柱和PCB板，為減少運算時間，考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，建立器件的1/4模型，如圖2所示。

圖2 CCGA器件板級三維模型

1.2 材料參數(shù)

采用統(tǒng)一型粘塑性Anand本構(gòu)方程可以準(zhǔn)確地描述焊料在溫度循環(huán)載荷條件下的粘塑性變形行為。仿真分析所需的焊點Anand模型參數(shù)如表1所示[5-6]，器件各個部分的材料力學(xué)性能參數(shù)如表2所示[7]。

表1 焊料Anand模型參數(shù)

表2 器件各個部分的材料力學(xué)參數(shù)

1.3 載荷與邊界條件

對仿真模型進行網(wǎng)格劃分，在邊角處的區(qū)域進行網(wǎng)格細化，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。溫度循環(huán)主要涉及的邊界條件為溫度的變化，此處的仿真忽略了溫循過程中溫度傳遞的過程，假設(shè)器件的溫度分布是均勻的。按照GJB 548B—1010.1標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置溫度循環(huán)條件，溫度變化范圍為-65～150℃，高低溫保持時間為10 min，高低溫轉(zhuǎn)換時間為1 min。對于1/4對稱模型，在模型的中心對稱點進行固定的約束。

圖3 CCGA器件板級有限元模型

2 壽命預(yù)測方法

焊柱在溫度循環(huán)載荷下的壽命預(yù)測模式主要是低周疲勞，目前對焊柱的疲勞壽命預(yù)測的方法主要是基于塑性應(yīng)變的Coffin-Manson方程，即材料的的低周疲勞壽命（Nf）和塑性應(yīng)變范圍（Δγp）之間符合如下經(jīng)驗關(guān)系[8]：

式（1）中：Nf——溫度循環(huán)疲勞失效的次數(shù)；

Δγp——非彈性剪切應(yīng)變范圍，其值是等效塑性應(yīng)變范圍的倍；

εf——疲勞韌性系數(shù)，對于SnPd共晶焊料取εf=0.325；

c——疲勞韌性指數(shù)。

c的表達式為：

式（2）中：Tsj——溫度循環(huán)的中間溫度，單位為℃；

tH——高溫保持時間，單位為min。

3 結(jié)果分析

由于邊角處焊柱距離結(jié)構(gòu)中心最遠，由熱膨脹系數(shù)不同引起的內(nèi)部應(yīng)力與變形最大，最先發(fā)生熱疲勞失效，因此只需預(yù)測邊角處焊柱的疲勞壽命。提取邊角處焊柱的應(yīng)變云圖，如圖4所示。通過觀察應(yīng)變云圖可以發(fā)現(xiàn)，兩種類型焊柱的最大應(yīng)變均出現(xiàn)在Sn63Pb37焊料與Pb90Sn10焊柱的交界處。兩種類型焊柱的最大等效塑性應(yīng)變范圍如表3所示，將最大等效塑性應(yīng)變范圍代入式（1）-（2）中，得到鍍銅型焊柱的熱疲勞壽命為1 330次；而銅帶纏繞型焊柱熱疲勞壽命高達2 123次，壽命大約是鍍銅型焊柱熱疲勞壽命的1.6倍。

圖4 焊柱的應(yīng)變云圖

表3 兩種焊柱各部分的熱疲勞壽命

4 結(jié)束語

目前CCGA在多引出端封裝中的應(yīng)用比較廣泛，增強型焊柱有助于提高CCGA封裝的可靠性。在溫度循環(huán)載荷下，銅帶纏繞型焊柱的CCGA封裝熱疲勞壽命是鍍銅型焊柱的CCGA封裝熱疲勞壽命的1.6倍，說明前者的可靠性優(yōu)于后者。焊柱最先出現(xiàn)熱疲勞損傷的位置是在焊料與焊柱的交接面，損傷點在焊料體上。