底部填充式BGA封裝熱機械可靠性淺析

楊建生

（天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000）

底部填充式BGA封裝熱機械可靠性淺析

楊建生

（天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000）

探討了在超級球陣列封裝（SBGA）中，底部填充對各種熱機械可靠性問題的影響；針對加工誘發(fā)的各種殘余應力，研討有底部填充和沒有底部填充的非線性有限元模型；把焊料作為時間和相關溫度建模，其他材料酌情按照溫度和相關方向建模，分析由于熱循環(huán)在封裝中出現(xiàn)的應力/應變狀況；對于焊料球中有關時間的塑性應變、蠕變應變和整個非彈性應變的大小和位置，分析底部填充的影響和銅芯對焊料球應變的影響；憑借定性的界面應力分析，探討插件與底部填充界面以及基板與底部填充界面處發(fā)生剝離的可能性；有關SBGA封裝結果表明，底部填充并不總是提高BGA可靠性，底部填充的特性，在BGA封裝整體可靠性方面，效果是顯著的；與現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)相比，焊點疲勞熱循環(huán)的預測數(shù)量類似于沒有底部填充的BGA封裝。

球陣列封裝；剝離；可靠性；焊點疲勞；底部填充

隨著電子封裝對高性能、小尺寸和高管腳數(shù)產品需求的增長，球柵陣列（BGA）和芯片規(guī)模（CSP）封裝在很多方面的應用急劇增長。探研底部填充式陶瓷BGA封裝的基板級可靠性，在板上倒裝芯片（FCOB）組裝中，采用底部填充提高焊點可靠性；在BGAs和CSPs封裝，完成底部填充，提高可靠性，保護焊球周圍環(huán)境。

超級球柵陣列封裝（SBGATM）是為更高的熱、電特性研發(fā)的一種BGA封裝，應用于軍用航空。在軍用航空應用中采用SBGA封裝，第二級焊球常采用底部填充進行密封，防止焊球周圍可能的濕氣凝結。使用底部填充達到了環(huán)境保護目的，但沒有探討SBGA封裝底部填充對熱機械可靠性的影響。本文采用計算機模型，弄清有各種底部填充SBGA封裝的可靠性問題。依次使用累積非彈性應變和各種界面應力作為損害參數(shù)，探討在有各種底部填充狀況下的焊點可靠性和剝離敏感性。通過把焊點疲勞失效熱循環(huán)數(shù)與試驗數(shù)據(jù)進行比較，確定用于SBGA封裝研發(fā)的有限元模型。

圖1　銅芯FR4板上裝配底部填充SBGA封裝原理圖

圖2　封裝幾何結構

1　幾何圖形與材料建模

建模的SBGA封裝是一種層壓式的、把微通孔有機BT基板粘貼到薄型鍍鎳銅背面板的封裝。圖1示出了裝配到約束銅芯FR4板上的底部填充SBGA封裝原理圖。把封裝中線作為有限元模型的對稱面，圖1示出了x-y坐標系。圖2示出了各種封裝子部件，表1說明了相關的各種材料。

散熱器、電介質、芯片、密封劑和粘片的材料特性由供應商提供。對CTE電介質作為正交各向異性進行模擬，對機械特性，作為各向同性、線彈性和相關溫度進行模擬。散熱器、芯片、密封劑和粘片材料作為線彈性和有相關溫度特性的各向同性進行模擬。FR4建模為正交各向異性、相關溫度及彈性。焊料為共熔63/37錫/鉛合金。焊料的蠕變特性采用二次蠕變方程進行模擬。二次或穩(wěn)態(tài)蠕變可認為焊料疲勞損壞蠕變機制最重要的情況，與在二次蠕變機制中花費的時間相比，一次和三次蠕變發(fā)生相對時間較短。二次（穩(wěn)態(tài)）蠕變已廣泛應用于描述熱循環(huán)情況下焊料的非彈性、相關時間特性特征。

穩(wěn)態(tài)（二次）蠕變應變率由下式計算：

表1　SBGA的主要元件和相關材料

這里εc為穩(wěn)態(tài)蠕變應變率，σ為當前應力，A被近似地確定為等于1.84×10-4（MPa）-n（-s）-1的常數(shù)，n也被近似地確定為5.2，Q為等于50 J·K/mol蠕變的活化能，RG為等于8.314×10-3KJ/mol-K的通用氣體常數(shù)，T為焊料球開氏溫度。焊料的多線性相關時間塑料特性。

檢測了三個下填充物，下填充物A為低CTE、高模量材料，而下填充物C為高CTE、低模量材料。下填充物A代表一種填充的環(huán)氧樹脂，而填充物C代表一種非填充的環(huán)氧樹脂，下填充物B具有中間特性。下填充物A、B、C為市場上可買到的下填充物，其特性如表2～表6所示。

表2　下填充物A特性

表3　下填充物B機械特性

表4　下填充物B CTE

表5　下填充物C機械特性

表6　下填充物C CTE

2　下填充物對焊料球應變的影響

為了調查不同下填充物對焊料應變的影響，圖3示出了模擬的熱剖面圖。對有下填充物的裝配而言，無應力溫度假設為下填充物固化溫度165℃。對沒有下填充物的裝配而言，無應力狀況假定為焊料回流溫度183℃。裝配后，結構假定冷卻到室溫20℃超過60 min，在-55℃～125℃的熱循環(huán)之前，停留60 min。循環(huán)的上升和下降率階段為18℃/min，每個高溫和低溫停留20 min，如圖3所示的10個熱循環(huán)完成模擬。

圖3　無應力狀況的溫度循環(huán)

選擇累積的非彈性應變作為損壞指標，研討各類下填充物對焊料球熱機械可靠性的影響。觀察到對研討的不同下填充物，最大累積非彈性應變點圍繞圖4所示的3個點之間。圖4所示的每個焊料球包含148個元件，且銅焊盤有6個元件。焊料中有限單元網格對所有的模擬是相同的。累積的等效非彈性應變，如圖4中的區(qū)域Ⅰ、區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ш，平均超過圍繞最大值點元件區(qū)域，以便降低提出應變結果的網格依賴性。表7中示出了對最后穩(wěn)定周期而言，獲得的非彈性應變累計百分比。無下填充物情況（表7中表示為“無”）被認為是比較下填充物A、B、C對焊料應變影響的基線。對無下填充物和下填充物C的狀況而言，累積非彈性應變最大值位于區(qū)域Ⅰ，對下填充物B而言，位于區(qū)域Ⅱ，對下填充物C而言，位于區(qū)域Ш。通常，與無下填充物SBGA相比，低CTE下填充物A趨于降低累積非彈性應變，然而與無下填充物狀況相比，更高CTE的下填充物B和C趨于增大累積應變值。對陶瓷球柵陣列封裝（CBGA）而言，觀察到隨著下填充物CTE的增大，焊料應變以同樣的趨勢增大。

表7　有銅芯，每個循環(huán)非彈性應變累計百分比%

圖4　累積等效非彈性應變最大值位置

對剛性和軍用傳熱，在封裝中使用銅芯，但理解焊料球可靠性方面銅芯的作用是必要的。沒有銅芯的FR4板上SBGA焊球可靠性，如圖5所示。

表8示出了無銅芯FR4板上SBGA封裝焊球中等效非彈性應變累積百分比，表9對無下填充物、下填充物A和下填充物C的有芯和無芯等效非彈性應變值累積百分比，進行了比較。可看出把封裝置于更柔性的無銅芯板上，會使焊料應變更低。累積等效非彈性應變值下降小，但是板硬度、下填充物材料和使用溫度不恰當?shù)慕M合，會把疲勞壽命降低到不能接受值。

圖5　沒有銅芯的FR4板上封裝

表8　無銅芯每個循環(huán)累積等效非彈性應變百分比%

表9　每個循環(huán)累積等效非彈性應變百分比%

3　下填充物對界面各種應力的影響

剝離現(xiàn)象就是相鄰各層間的剝離或分離。在自由邊緣產生的界面應力，是初始剝離現(xiàn)象的主要驅動因素。雖然沒有建立準則來預測初始剝離，但是確定界面剪切和剝離應力，并與相應的界面剪切和剝離強度進行比較是一種方法。剝離現(xiàn)象是依據(jù)位置的一種嵌入式剝離或邊緣剝落現(xiàn)象，采用如圖6所示的3個界面處（水平1、水平2和垂直1）的定性變化，來理解各種下填充物對有銅芯板SBGA封裝的剝離現(xiàn)象敏感性影響。

剝落和剪切應力，如圖6所示在水平1和水平2界面處，作為從各自路徑起源的路徑距離的函數(shù)，繪制了研討的3個下填充物。路徑水平1為SBGA的BT板與下填充物之間的界面，路徑水平2為下填充物和板間的界面，路徑垂直1為如圖6所示的下填充物圓角與SBGA封裝的BT基底邊緣之間的界面。

對下填充物C而言，在125℃，-55℃和室溫20℃，沿水平2界面的剝落和剪切應力。剝落和剪切應力的大小向自由邊緣增加，可觀察到兩個界面的剝落和剪切應力在-55℃最高，此溫度離無應力下填充物固化溫度（165℃）最遠。

高CTE下填充物（下填充物C），當冷卻時，趨向于從板收縮和伸縮，造成沿水平2路徑向自由邊的高開口或拉伸剝離應力。對考慮的下填充物而言，與下填充物A的低CTE和高模數(shù)相比，下填充物C由于增大的CTE和較低的模數(shù)，剝離應力的大小近似地增大2到4倍。

在水平1界面狀況下，界面各種應力在起始路徑的大小方面相對較高，高CTE低模數(shù)下填充物C造成高剝離應力。然而，在下填充物圓角區(qū)域，下填充物的收縮，似乎是防止路徑水平1末端高界面剝離應力發(fā)生的可能性。事實上，在下填充物圓角區(qū)域，下填充物的收縮造成了沿SBGA BT基板（路徑垂直1）側面的壓縮應力。注意到，應采用各種界面應力變化，來比較趨勢和相對大小。絕對值，特別是接近自由邊的絕對值受奇異點和網格密度的影響。

為了理解沿垂直1的抗壓應力，圖7示出了下填充物C在低溫時x方向的應變。沿路徑垂直1的x方向應變?yōu)樨?，因此，對下填充物C而言，抗壓剝離應力較大。由于剝離應力，與其他兩個研討的界面相比較，負剝離應力表明垂直1界面不至于老是剝離失效。對下填充物A而言，如圖8所示，沿路徑垂直1的x方向的應變大小，小于下填充物C的x方向的應變。下填充物A的抗壓影響較弱，允許此區(qū)域部分剝離應力為正。

圖6　典型界面位置圖

圖7　x方向應變，下填充物C

圖8　x方向應變，下填充物A

下填充物的收縮，導致了在所有界面處的高剪切應力。當下填充物從A到C變化時，剪切應力粗略地增大2到5倍。因此封裝上高CTE、低模量下填充物（下填充物C）最可能造成的影響，就是增大沿路徑水平1和水平2剝離的可能性。通常，當下填充物CTE增大且模數(shù)下降時，剝離初始驅動力增大。為了研討剝離確實為初始和傳播，不僅需要測量剝離和剪切強度，而且伴隨著合適的模態(tài)混合度，測量不同下填充物各種界面的界面斷裂韌性。

4　模型驗證與壽命預測

從公布的可靠性數(shù)據(jù)選取352 SBGA封裝，來驗證提供的有限元模型。研討的腔體向下封裝與本文中的SBGA封裝具有相同類型的結構。FR4板上352 BGA經受采用三區(qū)域室進行的熱循環(huán)，溫度范圍為-55℃～125℃。在高溫和低溫滯留時間約20 min，總循環(huán)時間約68 min。測試期間就地測量實際升溫速率，測定的加熱與冷卻率是非線性的，范圍為±10到15℃/min，平均升降率為12.9℃/min。SBGA封裝的建模幾何圖形如圖9所示，注意到研發(fā)的BGAs沒有進行下填充。由于滯留時間為20 min，循環(huán)時間為68 min，上升和下降率為12.9℃/min，采用焊料回流溫度183℃作為鎖定軌溫，總共模擬10個熱循環(huán)。假定材料特性與在研討的SBGA封裝中使用的一樣。

表10示出了采用模型預測的焊料疲勞失效的循環(huán)數(shù)量，壽命預測模型的相關公式概括為：

式中，C為等于890%的試驗確定常數(shù)，Δγmc為蠕變剪切應變范圍。

式中，Δγp為塑料剪切應變范圍，a為等于0.51的試驗確定常數(shù)，θ為等于1.14的試驗確定常數(shù)。

式中，Nt為由于非彈性應變、循環(huán)的總壽命，Np為由于塑性應變、循環(huán)的總壽命，Ncr為由于蠕變應變、循環(huán)的總壽命。

各種封裝熱循環(huán)結果如圖10所示，352 SBGA第一次失效為近似于2 600個循環(huán)，平均失效為3 300個循環(huán)，90%失效為3 900個循環(huán)。焊點的預測壽命為與表10所示的90%的累計失效百分比的范圍一樣。

表10　壽命預測比較

圖9　研討的SBGA模型示意圖

圖10　研討的失效循環(huán)

5　結束語

研討了在SBGA封裝中，下填充物對發(fā)生剝離現(xiàn)象的焊料應變及可靠性的影響。結果表明下填充物不總是增大SBGA的可靠性，但是下填充物的特性在整個SBGA封裝可靠性方面起著重要的作用。與無下填充物的封裝相比，具有高CTE和低模數(shù)的下填充物能夠增大下填充SBGA封裝的焊料應變，因此能夠降低焊點的整個疲勞壽命。觀察到在熱循環(huán)期間，特別是在自由端，高CTE和低模數(shù)下填充物對剝離失效更敏感?？煽闯龅虲TE、高模數(shù)下填充物降低了焊料應變，并且沿著大部分界面產生較低的界面應力。再者，可觀察到沒有銅芯將降低焊料應變，增大焊料疲勞壽命。然而，當SBGA封裝具有接近板的累積CTE，對所有狀況而言，焊點中的應變具有低量級。

由于低焊料應變，焊點很可能持續(xù)3 000多個循環(huán)，且焊點疲勞很可能在很多應用中不涉及。但是板硬度、下填充物特性和/或非優(yōu)化過程步驟的不恰當結合，會導致下填充式BGAs中早期疲勞失效。

［1］ James Pyland，Raghuram V.Pucha，Member，IEEE，andSuresh K.Sitaraman.Thermomechanical Reliability of BGA Packages［J］.IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONICS PACKAGING MANUFACTUREING.APRIL 2002，VOLUME 25，NUMBER 2：100-106.

［2］ Y.Sawada，A.Yamaguchi，S.Oka，and H.Fujioka.Reliability of Plastic Ball Grid Array Package［J］.IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES，MARCH 2002，VOLUME 25，NUMBER1：73-78.

［3］ 中國電子學會封裝專業(yè)委員會，電子封裝叢書編委會.微電子封裝手冊［M］.第1版.北京：電子工業(yè)出版社，2001.145-152.

［4］ 電子封裝技術叢書編委會編.集成電路封裝試驗手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1998.39-51.

Simple Analysis for Thermomechanical Reliability of Underfilled BGA Packages

YANG Jiansheng

（Tianshui Huatian Technology Co.，Ltd.，Tianshui 741000，China）

The effect of underfill on various thermo-mechanical reliability issues in super ball grid array（SBGA）packages is studied in this paper.Nonlinear finite element models with underfill and no underfill are developed taking into consideration the process-induced residual stresses.In this study，the solder is modeled as time and temperature-dependent，while other materials are modeled temperature and direction-dependent，as appropriate.The stress/strain variations in the package due to thermal cycling are analyzed.The effect of underfill is studied with respect to magnitude and location of time-independent plastic strain，time-dependent creep strain and total inelastic strain in solder balls. The effect of copper core on the solder ball strains is presented.The possibility of delamination at the interposer-underfill interface as well as substrate-underfill interface is studied with the help of

Super ball grid array（BGA）；Delamination；Reliability；Solder joint fatigue；Underfill

TN305.94

B

1004-4507（2016）08-0009-07

2016-07-14qualitative interfacial stress analysis.Results on SBGA packages indicate that the underfill does not always enhance BGA reliability，and that the properties of the underfill have a significant role in the overall reliability of the BGA packages.The predicted number of thermal cycles to solder joint fatigue are compared with the existing experimental data on similar nonunderfilled BGA packages.

楊建生（1964-），男，現(xiàn)為天水華天科技股份有限公司工程師，主要從事半導體集成電路項目管理和科技情報信息工作，已發(fā)表半導體集成電路封測工藝技術論文數(shù)十篇。