BGA256封装的焊点热疲劳分析

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作者：陈松,三星半导体（中国）研究所
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: L3 h; K. k' v2 s- j" D8 M8 E1前言
1 o/ U" u6 v+ k  I& t3 o    现代电子产品正在向着小型化和功能增强的方向发展，这种趋势导致了球焊阵列封装(BGA)产品的产生，相对于传统的引线框架形式，BGA封装不仅大大提高了PCB每平方毫米的I/O量,它们还具有明显优良的电学性能。但是可靠性问题是BGA产品一直所关心的问题，焊点在低热疲劳循环下的失效机理也正在被广泛的研究着。通过建立有限元模型可以减少大量的试验工作和产品的开发周期，具有非常大的意义。
    针对焊点的热疲劳分析，学者们已经提出了三种模型，1）分析模型[1]，2）3-D片段模型[2]，3）采用等效梁的宏观/微观模型。其中宏观/微观模型因为计算效率而被认为是考虑塑性变形和目标焊点的一种合适方法。
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7 W# o( `/ P6 e/ Q- m/ b7 h3 r    在本文的工作中，ANSYS的建模方法在以下几个方面有了提高，1）建立了三维等尺寸的球焊阵列封装有限元模型 2）子模型方法用来传递载荷到局部模型，计算出应力和应变的分布。
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9 W( i( Y& k; P' U2焊点的寿命预测
    焊点寿命的理论是最先由Darveaux[5]提出，Darveaux模型提出了焊点裂纹生长和焊点的热疲劳寿命之间的关系。裂纹起始和裂纹生长可分别用方程（1）和（2）表示：
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K1, K2, K3 and K4 是常数，ΔWave是焊点每个热循环所积累的平均体积塑性功。它可由方程（3），(4) 导出：

其中，ΔWi是体积为的第Vi个单元的塑性功密度，“n”是单元的总个数。在ANSYS的POST1后处理器中，可通过单元表格(Element Table)的操作得到塑性功密度，命令行入下：
//ETABLE, 1, SEND, PLASTIC
8 I; ]% {  A- S$ R1 @1 I9 s; N) {//ETABLE, 2, VOLU
# g" |0 E8 I4 P' a假设裂纹的生长速度是恒定的，那么在破裂之前总的循环数(NT)可由下列公式得到：

在此公式中，“a”是焊接点和铜焊盘接触面的直径。


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! R* P( K5 g1 A$ G1 t7 e2.1 建立模型
6 b4 L" Y4 y) C+ R! {    256-PBGA-2727模型的建立参考于三星电子本社的产品。整体的尺寸为27mm x 27mm x 2.33mm. 图1为封装的侧面示意，FR-4 PCB电路板的尺寸是15.0mm x 15.0 mm x 1.57mm, BT基板的尺寸是13.5mm x 13.5mm x 0.56mm, 硅片的尺寸是2.54mm x 2.54mm x 0.5mm,塑封胶(EMC)的尺寸为13mm x 13mm x 1.17mm, 锡球在回流以后的高度为0.6mm， 直径为0.76mm，锡球间距1.27mm，铜焊盘大小为0.65mm。
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5 L5 V2 b% F, |& _! X* a( F$ V表1列出了材料的主要参数，热膨胀系数，杨氏模量和泊松比。
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    由于锡球在室温时高于自身熔点的一半，因此蠕变行为在变形中占了主导地位。在ANSYS中采用阿兰德模型（Anand’s constitutive model），模型分为一个流体方程和三个进化方程：
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对于成分为62Sn36Pb2Ag的锡球，阿兰德方程的参数列在表2中。

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  b& g2 n' \  J" f2.1.1 全局模型
5 C+ G3 Y# Z" N( d$ Z/ w$ K8 N    在模型的网格划分中采用了10节点的四面体单元（Solid45）和8节点的四面体模型（Visco107）。由于结构的对称性，只选择了封装的1/8部分来进行计算。划分如图2所示。虽然此模型可以预测变形，但是焊点的网格比较稀疏，在预测应力/应变时不够精确，整个模型的单元数为125，000。
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2.1.2 子模型
8 y" {8 l8 o( Q1 O, f# n
, g& x. d: n+ x) @. y# M/ a& e    应力/应变的分布是通过计算目标焊接点子模型得到的，子模型的边界条件是通过全局模型的节点切割得到。在子模型中包括了目标的焊接点和一部分BT基板和FR-4电路板。在靠近基板和电路板两边的焊点附近，采用细化的结构，其中包括了阻焊膜(Solder Mask)和焊盘(Cu Pattern)的结构，厚度分别是0.02mm和0.15mm。为了提高结果的精度，网格划分比较细微，在图3中，共21099个单元。
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温度载荷开始于室温25°C的热循环过程被加载。循环的规范是从-40°C(最低) to 125°C(最高)，一个完整的循环时间是一个小时，其中上升时间，下降时间和恒温时间各是15分钟。
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0 g! a1 p4 I+ h2.1.3 焊接点疲劳寿命的计算
    模拟出的每个循环积累的塑性能量密度(ΔW)是失效指标。焊点的热疲劳数可按照下式计算出来
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% N3 X4 q' [$ x2.2 结果分析
: T* J  _$ W! ~& J1 i% B2.2.1 整体变形和局部的应力应变分布
对建立的模型进行了相关的研究，图4反映了在温度变化的过程中各个焊点的变形情况。其中D10 位置的焊点变形最大，变形最小的焊点则出现在A7 的位置。模拟的结果和一般事实相符合，越向外的焊点可靠性越差。同时我们可以看出大部分焊点的运动趋势是向内的，而一些内部的焊点运动趋势则是向外的，这种趋势是非线性材料之间的热膨胀系数不同导致的。
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    图5展示了子模型中D10位置的焊点的等效塑性应力。其中最大的塑性应力出现在顶部偏左的位置。由于焊点和底层的铜焊盘之间容易形成金属间化合物（IMC）, 在温度循环中沿着这个界面很容易产生失效。

    同时在底部两者的界面上也出现了较大的应力，这里也是失效容易出现的位置。
    除了D10的位置以外，也取了其他四个焊点做比较，它们的寿命如表3所示。正如预期的那样，D10位置的焊点具有最短的热疲劳寿命3130次，而A7位置则具有最长的寿命6242次。

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2.2.2 焊球形状对疲劳寿命的影响
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  S1 ]% P" G9 G- n$ }    图6是通过Surface Evolver生成的焊球模型，左右模型的焊点高度和焊球体积各不相同。在只考虑子模型的变形条件下，热疲劳寿命分别是7800，26000次。
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3 结论

7 U1 @! f% u* u( B+ N& f  S    为了研究焊点的可靠性，本文建立了一个三维的有限元模型，其中包括整体模型，子模型，寿命计算公式。通过本文所做的工作，我们得到了下列一些结论：
(1) 焊点寿命和位置有很大关系，位置靠外的焊点疲劳寿命会短一些；
(2) 疲劳寿命与焊点形状体积，高度，焊盘直径等参数也有很大关系，一般说来：
    ·焊点体积越大，疲劳寿命越短
    ·焊点直接越大，疲劳寿命越短
- w9 O5 x( q5 w+ C& q; m    ·焊点高度越大，疲劳寿命越短
! U5 ]7 ~0 ]: c(3) 利用子模型技术，可以很好的预测焊点的疲劳寿命；
(4) 在建立模型的工作中焊球材料的非线性必须加以考虑。