回流焊工藝中PBGA焊點(diǎn)失效研究

郭 瑜，孫志禮，劉明賀

（1．東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2．沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

1 引言

球柵陣列封裝（Ball Grid Array，BGA）是指在電子器件底部以球形柵格陣列作為I/O引出端的封裝形式，是目前廣泛應(yīng)用的一種封裝形式[1]。它具有封裝面積小、引腳數(shù)目多、可靠性高、電性能好，整體成本低等特點(diǎn)。目前主流的BGA產(chǎn)品有塑料焊球陣列封裝（PBGA）和陶瓷焊球陣列封裝（CBGA）。PBGA以較低的價(jià)格成為應(yīng)用于民用電子產(chǎn)品的主要封裝形式[2-3]。

作為印制電路板組件（PrintedCircuitBoardAssembly，PCBA）加工的關(guān)鍵步驟，回流焊工藝決定著PBGA的最終質(zhì)量及可靠性。其產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、焊膏印刷及元件貼裝等過(guò)程產(chǎn)生的缺陷，最終都集中反映在回流焊工藝中，因此回流焊在生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位[4-5]?；亓鳡t通常有（6～12）個(gè)加熱爐區(qū)和（1～2）個(gè)冷卻爐區(qū)組成，通過(guò)對(duì)每個(gè)溫區(qū)設(shè)置不同的溫度，使焊膏充分融化再重新黏結(jié)，以實(shí)現(xiàn)元件與基板的連接。在回流焊工藝及溫度循環(huán)作用下，由于PCBA材料熱物性參數(shù)是隨溫度變化的并且存在互異性，焊點(diǎn)容易產(chǎn)生內(nèi)部熱應(yīng)力與應(yīng)變，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終引起PBGA在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)生失效，降低產(chǎn)品可靠性[6-7]。因此，對(duì)于PBGA的失效及其可靠性研究是保證PCBA質(zhì)量的前提。

目前實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于焊點(diǎn)裂紋失效的判斷主要應(yīng)用直接觀察和間接測(cè)試方法，由于PBGA焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)尺寸微小，直接觀察與測(cè)量方法需要非常精密的測(cè)量設(shè)備與較高的技術(shù)要求，并且需要投入較大成本。因此，對(duì)焊點(diǎn)裂紋的數(shù)值計(jì)算及模擬具有重要的工程實(shí)際意義[8]?；趥鳠釋W(xué)理論，采用有限元熱-結(jié)構(gòu)耦合方法模擬回流焊工藝中PBGA瞬態(tài)熱應(yīng)力、應(yīng)變分布，揭示PBGA焊點(diǎn)的熱應(yīng)力、應(yīng)變的變化特點(diǎn)，預(yù)測(cè)裂紋的潛在發(fā)生區(qū)域，對(duì)進(jìn)一步的PCBA可靠性評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

2 PBGA回流焊溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

2.1 導(dǎo)熱微分方程及邊界條件的確定

一般來(lái)說(shuō)，溫度場(chǎng)是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，物體內(nèi)的溫度場(chǎng)由其通用方程及導(dǎo)熱微分方程確定?；亓骱高^(guò)程可以認(rèn)為是一個(gè)非線性瞬態(tài)問題，材料的熱物性隨著溫度劇烈變化，其熱傳導(dǎo)方程用三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程的一般形式來(lái)描述[9]：

2.2 PBGA溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型建立

紅外熱風(fēng)回流焊機(jī)進(jìn)行回流焊加工的傳熱方式主要是對(duì)流和輻射。因此首先考慮對(duì)流傳熱對(duì)PCBA的影響，根據(jù)牛頓冷卻公式，可將PCBA的對(duì)流換熱表示為：

式中：qconv—單位面積的對(duì)流傳導(dǎo)熱量（J/m2）；hc—對(duì)流傳熱系數(shù)（J/（m2K））；tw—膛爐內(nèi)的絕對(duì)溫度；tf—PCBA上某一點(diǎn)的絕對(duì)溫度（K）。

回流爐中對(duì)流傳熱方式近似的看作是雙面熱氣流縱掠平板的對(duì)流傳熱[10]。對(duì)于平板對(duì)流傳熱表面，有：

式中：Nux—Nusselt數(shù)，表示流體在平板處溫度梯度量；Rex—Reynolds數(shù)，表示流動(dòng)慣性力和粘滯力的相對(duì)值；Pr—Prandtl數(shù)，表示流體動(dòng)量擴(kuò)散能力和熱量擴(kuò)散能力的相對(duì)大小，有：

式中：u—?dú)怏w流動(dòng)的速度（m/s）；l—印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的長(zhǎng)度（m）；v—?dú)怏w的流體粘度（m2/s）；η—?dú)怏w的動(dòng)力粘度（m2/s）；cp—?dú)怏w的比熱容（kJ/（kgK）；λ—?dú)怏w的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)（W/（mK））。由式（2）～式（5）可得：

回流焊中另一個(gè)邊界條件是輻射。為了方便在工程計(jì)算中經(jīng)常把輻射傳熱換算為對(duì)流傳熱，根據(jù)牛頓冷卻公式，可表示為：

式中：hr—經(jīng)過(guò)輻射轉(zhuǎn)換的對(duì)流傳熱系數(shù)（J/（m2·K））。

由式（7）可知：

由式（6）和式（8）即可求得總的對(duì)流換熱系數(shù)h為：

這樣，邊界所施加到單位體積上的總熱量為：

3 PBGA焊點(diǎn)有限元模擬

3.1 PBGA有限元模型的建立

任選PCBA上一個(gè)PBGA作為主要研究對(duì)象，考慮到其焊點(diǎn)的幾何條件及焊點(diǎn)的失效形式，需對(duì)PBGA幾何結(jié)構(gòu)精確建模，以使焊點(diǎn)熱應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。PBGA封裝包括焊球、芯片、BT基板與塑封體等結(jié)構(gòu)。PBGA焊點(diǎn)呈周邊陣列分布在器件下面，共有（14×14）個(gè)焊點(diǎn)。由于所選模型為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為便于計(jì)算，僅選取PBGA及其所在PCBA的四分之一結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。PBGA材料熱物性參數(shù)，如表1所示。

表1 熱物性參數(shù)表Tab.1 Thermal Properties Parameters

PBGA焊點(diǎn)有限元模型，如圖1所示。

圖1 PBGA模型Fig．1 PBGA Model

3.2 邊界條件及加載

以10溫區(qū)回流焊爐為例進(jìn)行仿真，并按PBGA進(jìn)入各個(gè)溫區(qū)的時(shí)間加載對(duì)流換熱系數(shù)。每個(gè)爐區(qū)的長(zhǎng)度定為500mm。每個(gè)溫區(qū)溫度設(shè)置，如表2所示。傳送帶的傳動(dòng)速度為850mm/min。

表2 回流焊爐區(qū)溫度設(shè)置Tab.2 Reflow Soldering Stove Temperature Setting

由于所分析PBGA模型是實(shí)體模型結(jié)構(gòu)的四分之一，因此需要對(duì)切割出來(lái)的新截面施加對(duì)稱約束條件，并且為了防止模型在分析過(guò)程中整體移動(dòng)，應(yīng)對(duì)實(shí)體模型的中心點(diǎn)施加全約束。邊界條件，如圖2所示。在仿真過(guò)程中，結(jié)合回流焊工藝的特點(diǎn)，根據(jù)PBGA進(jìn)入回流焊爐的時(shí)間及各爐區(qū)溫度分布對(duì)PBGA加工過(guò)程施加載荷。由前文可知，回流焊工藝主要是通過(guò)輻射熱源及對(duì)流換熱熱源對(duì)PBGA進(jìn)行加工的，但由于ANSYS對(duì)輻射傳熱計(jì)算比較復(fù)雜，因此將輻射載荷換算為對(duì)流換熱載荷并對(duì)PCBA進(jìn)行加載。為了模擬PBGA在回流爐中各個(gè)溫區(qū)的溫度加載情況，主要通過(guò)ANSYS里APDL語(yǔ)言的*DO循環(huán)語(yǔ)句進(jìn)行控制。

圖2 PBGA模型邊界條件Fig.2 Boundary Conditions of Model

3.3 焊點(diǎn)應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)仿真結(jié)果及討論

由圖3可知，在回流焊工藝中，PBGA承受著大幅度熱載荷。這主要是因?yàn)殡S著回流焊溫度的變化，構(gòu)成PBGA的器件由于材料屬性的互異性，發(fā)生了一定程度的熱脹冷縮，但器件均由于受到外部約束或內(nèi)部的變形協(xié)調(diào)要求而不能自由發(fā)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致了不同器件內(nèi)附加熱應(yīng)力的產(chǎn)生。

圖3 PCBA應(yīng)力云圖Fig.3 Stress of PCBA

由圖3還可以看出，焊點(diǎn)熱應(yīng)力較大的區(qū)域集中在焊點(diǎn)的上下兩個(gè)端面區(qū)域，而中間部分所受熱應(yīng)力則較小。這是由于PCB中FR-4、銅箔與其他元件之間的熱膨脹系數(shù)不同，以及PBGA在加熱過(guò)程中溫度分布的不均勻，使得FR-4、銅箔等元件的膨脹和收縮受到約束，進(jìn)而在焊點(diǎn)上下兩個(gè)端面產(chǎn)生較大熱應(yīng)力。在升溫時(shí)，焊點(diǎn)會(huì)隨之膨脹，但是由于PBGA的剛性較大，會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的自由膨脹起到抑制作用，因此使得焊點(diǎn)在與PBGA的接觸面上產(chǎn)生壓應(yīng)力。并且由于基板的熱膨脹系數(shù)小于焊點(diǎn)的熱膨脹系數(shù)，在回流焊加工中基板會(huì)產(chǎn)生一定量的翹曲，這同樣會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的膨脹起到了抑制作用，因此焊點(diǎn)的熱應(yīng)力主要出現(xiàn)在焊點(diǎn)的端面位置。由圖4可知，PBGA中間部分焊點(diǎn)的熱應(yīng)力最小，越靠近基板邊緣的焊點(diǎn)，熱應(yīng)力越大，應(yīng)力作用范圍也越大，最大的應(yīng)力值達(dá)到25.1MPa。圖5中所表現(xiàn)的焊點(diǎn)熱應(yīng)力分布規(guī)律與圖4相似，但是最大應(yīng)力值達(dá)到37.1MPa。最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在焊點(diǎn)與PBGA、基板連接面拐角位置。造成這種熱應(yīng)力分布的原因主要是由于PBGA的外側(cè)焊點(diǎn)距組件的中間位置較內(nèi)側(cè)焊點(diǎn)遠(yuǎn)，在熱載荷加載過(guò)程中，由于組件熱膨脹系數(shù)匹配不同，導(dǎo)致基板發(fā)生一定程度的翹曲變形，但是中心部分變形量較小，兩側(cè)邊緣變形較大，因此造成外側(cè)焊點(diǎn)承受最大應(yīng)力。

圖4 與銅箔連接的焊點(diǎn)應(yīng)力云圖Fig.4 Stress of Solder Paste Contact with Copper

圖5 與BT基板連接的焊點(diǎn)應(yīng)力云圖Fig.5 Stress of Solder Paste Contact with BT Base

當(dāng)熱載荷作用于PCBA時(shí)，熱應(yīng)力和熱應(yīng)變均對(duì)焊點(diǎn)失效產(chǎn)生較大影響，因此研究熱載荷作用下PCBA的應(yīng)變情況對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量控制及失效分析具有現(xiàn)實(shí)意義。由圖6可知，PCBA的應(yīng)變分布規(guī)律為中間部分應(yīng)變較小，而邊緣應(yīng)變則較大。由圖7可以看出，位于PBGA中心位置的4個(gè)焊點(diǎn)的熱變形最小，隨著焊點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離中心位置，其熱變形也越來(lái)越大，這是由于整個(gè)PCBA為軸對(duì)稱的幾何體，在發(fā)生熱變形后PCBA的中間位置在X、Y方向上不會(huì)產(chǎn)生變化，而遠(yuǎn)離中心位置的PCBA的熱變形就會(huì)不斷的推移并在邊緣處積累，進(jìn)而導(dǎo)致了在PCBA最邊緣處熱變形達(dá)到最大。焊點(diǎn)最大熱變形量達(dá)到21.4μm。

圖6 PCBA應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Strain of PCBA

圖7 PBGA焊點(diǎn)應(yīng)變?cè)茍DFig.7 Strain of Solder Paste

由以上分析可知，如圖7所示。焊點(diǎn)最大熱應(yīng)力、應(yīng)變均出現(xiàn)在與PBGA、基板連接面拐角位置的焊點(diǎn)，并且邊緣焊點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變均大于內(nèi)側(cè)的焊點(diǎn)。由此可以認(rèn)為，拐角處焊點(diǎn)為結(jié)構(gòu)失效危險(xiǎn)點(diǎn)。由于PCBA是軸對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu)，因此，PBGA拐角處的四個(gè)焊點(diǎn)均為危險(xiǎn)點(diǎn)。當(dāng)PBGA在回流焊加工時(shí)，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力、應(yīng)變值超過(guò)某范圍時(shí)將會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)材料微損傷，而這些微損傷在后續(xù)的產(chǎn)品使用過(guò)程中的熱-機(jī)械作用下，會(huì)發(fā)生擴(kuò)展、匯聚進(jìn)而形成裂紋，直接導(dǎo)致元器件的失效、界面脫層并引起其他組件失效。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)減小危險(xiǎn)點(diǎn)的潛在失效，可以通過(guò)改良焊點(diǎn)材料，改變焊點(diǎn)形狀尺寸、調(diào)整PCBA布局等方式對(duì)焊點(diǎn)的熱應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行控制。

4 結(jié)論

基于傳熱學(xué)理論，應(yīng)用有限元熱—結(jié)構(gòu)耦合方法，模擬回流焊工藝中PBGA焊點(diǎn)熱應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，并預(yù)測(cè)了PBGA焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)失效危險(xiǎn)點(diǎn)。研究表明：

（1）PBGA焊點(diǎn)熱應(yīng)力的分布規(guī)律表現(xiàn)為自焊點(diǎn)的上下兩個(gè)端面區(qū)域向各自的中心部位逐漸減小，這是由于PCB中FR-4、銅箔與其他元件之間的熱膨脹系數(shù)不同，以及PBGA在加熱過(guò)程中溫度分布的不均勻，使得FR-4、銅箔等元件的膨脹和收縮受到約束，進(jìn)而在焊點(diǎn)上下兩個(gè)端面產(chǎn)生較大熱應(yīng)力；（2）在焊點(diǎn)與PCB、BGA連接面上，焊點(diǎn)熱應(yīng)力由PCBA中心向四周逐漸增大，最大應(yīng)力、應(yīng)變均出現(xiàn)在焊點(diǎn)與BGA、PCB連接面拐角位置，由此可以認(rèn)為PBGA拐角處焊點(diǎn)為結(jié)構(gòu)失效危險(xiǎn)點(diǎn)。