銅帶纏繞型焊柱裝聯(lián)結(jié)構(gòu)的植柱工藝參數(shù)優(yōu)化*

田文超，劉美君，辛 菲，張國(guó)光，陳逸晞

（1.西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710068；2.佛山市藍(lán)箭電子股份有限公司，廣東佛山 528051）

1 引言

隨著電子封裝技術(shù)向高密度、輕薄化的方向發(fā)展，在很多應(yīng)用領(lǐng)域，一個(gè)封裝器件上所需的互連輸入/輸出（Input/Output，I/O）端口數(shù)已經(jīng)超過(guò)2000 個(gè)[1]。陶瓷柱柵陣列（Ceramic Column Grid Array，CCGA）封裝因其較高的I/O 封裝密度、優(yōu)良的熱-機(jī)械可靠性及規(guī)范的工藝流程，在航空、航天及軍事等高科技封裝領(lǐng)域獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。隨著I/O 數(shù)的增加，如何減小封裝尺寸，同時(shí)保證封裝的可靠性已成為高密度封裝領(lǐng)域普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題[2]。相比于陶瓷球柵陣列（Ceramic Ball Grid Array，CBGA）封裝，陶瓷柱柵陣列封裝的柱柵陣列形式增加了陶瓷基板與印制板的間距，借助更高的焊柱提高了器件的散熱性能，并有效緩解了氧化鋁陶瓷基板與印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）之間由于熱膨脹系數(shù)不匹配引起的應(yīng)力。CCGA 本身特殊的結(jié)構(gòu)特征使得CCGA 的組裝工藝技術(shù)與傳統(tǒng)的組裝工藝有所差別。CCGA 與PCB 間的互連要經(jīng)過(guò)植柱、回流、加固3 個(gè)工藝流程。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于CCGA 的研究主要集中在封裝可靠性方向，尤其是施加高低溫?zé)嵫h(huán)、隨機(jī)振動(dòng)等載荷后的焊柱可靠性問(wèn)題。呂曉瑞等人針對(duì)銅帶纏繞型焊柱CCGA 板級(jí)裝聯(lián)結(jié)構(gòu)在溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)載荷下焊點(diǎn)的失效模式和失效機(jī)理進(jìn)行研究[3]。李菁萱等人對(duì)高溫存儲(chǔ)、溫度循環(huán)、多次返工后的銅帶纏繞型CCGA 器件焊點(diǎn)進(jìn)行分析，并進(jìn)行了截面掃描電子顯微鏡分析，分析了高溫存儲(chǔ)、溫度循環(huán)、多次返工對(duì)元器件級(jí)外引出端焊點(diǎn)可靠性的影響[4]。皋利利等人借助ANSYS 有限元軟件建立CCGA624 器件的三維條狀模型，以應(yīng)變?yōu)閷?dǎo)向?qū)钢煽啃赃M(jìn)行模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。蘇德志等人對(duì)CCGA1140 器件進(jìn)行建模，通過(guò)加載熱環(huán)境載荷來(lái)分析柱柵陣列的應(yīng)力應(yīng)變、蠕變和位移變形，進(jìn)而識(shí)別出封裝過(guò)程和熱環(huán)境試驗(yàn)中器件最薄弱環(huán)節(jié)是柱柵陣列最外側(cè)四角的焊點(diǎn)處[6]。毛沖沖等人針對(duì)CCGA 焊接界面在熱沖擊試驗(yàn)中出現(xiàn)的斷裂失效問(wèn)題，探討了如何通過(guò)加固CCGA 焊接界面來(lái)提高器件可靠性的工藝技術(shù)[7]。針對(duì)CCGA 的焊接工藝鮮有完整細(xì)致的全面研究。

CCGA 互連工藝存在著焊接工藝難度較大、易出現(xiàn)焊點(diǎn)裂紋、虛焊、氣孔過(guò)多等問(wèn)題，選取較優(yōu)的工藝參數(shù)組合有利于減少工藝殘余應(yīng)力與形變量，因此有必要對(duì)CCGA 互連工藝開(kāi)展仿真技術(shù)研究。本文重點(diǎn)關(guān)注銅帶纏繞型CCGA 的植柱工藝過(guò)程，利用ANSYS 有限元分析手段，模擬計(jì)算得到在不同焊膏量、焊柱尺寸和焊接溫度（尤其是降溫速率）參數(shù)下CCGA 器件的殘余應(yīng)力與變形量。此外，制定正交試驗(yàn)表進(jìn)行仿真，從而減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)、提升仿真效率，最終得出CCGA 植柱工藝優(yōu)選參數(shù)組合，為實(shí)際工程的植柱工藝參數(shù)設(shè)定提供了參數(shù)指導(dǎo)和理論支撐。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 模型與材料

試驗(yàn)陶瓷基板尺寸為35.00 mm×35.00 mm×1.60 mm，焊盤(pán)直徑為0.80 mm，焊盤(pán)間距為1.00 mm；采用銅帶纏繞型80Pb20Sn 焊柱，焊柱內(nèi)徑為0.404 mm，高度為2.54 mm，焊柱的外部纏繞螺旋狀銅帶，銅帶帶寬為0.305 mm，螺距為0.534 mm，厚度為0.038 mm，共有1156（34×34）個(gè)焊柱；焊柱與陶瓷基板之間采用錫鉛合金焊料焊接，爬錫高度為0.35 mm，焊料厚度（焊柱底部與陶瓷基板之間的距離）為20.00 μm，器件各部位的詳細(xì)材料參數(shù)如表1 所示。為了減少仿真計(jì)算量，在器件模型對(duì)稱(chēng)的前提下，本文使用圖1 所示的1/4 銅帶纏繞型CCGA 模型進(jìn)行計(jì)算。

圖1 1/4 銅帶纏繞型CCGA 模型

表1 器件各部位材料參數(shù)

2.2 仿真過(guò)程

采用ANSYS 軟件中瞬態(tài)熱模塊與瞬態(tài)結(jié)構(gòu)模塊耦合分析的方法，在瞬態(tài)熱模塊中對(duì)CCGA 器件施加與回流曲線相同的溫度載荷，將瞬態(tài)熱模塊計(jì)算得到的溫度場(chǎng)分布結(jié)果導(dǎo)入到瞬態(tài)結(jié)構(gòu)模塊中計(jì)算得到CCGA 器件的應(yīng)力和殘余應(yīng)力分布情況。

為了模擬植柱過(guò)程中外力對(duì)陶瓷基板的約束，對(duì)基板下表面中心處施加直徑為3.00 mm 的圓形固定約束；為了模擬植柱過(guò)程中輔助工具夾具對(duì)焊柱的位移限制作用，對(duì)銅帶側(cè)面xy 方向進(jìn)行限制零位移、z方向釋放自由；對(duì)器件所有與空氣直接接觸的外表面施加溫度載荷，溫度曲線詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 溫度曲線數(shù)據(jù)

器件經(jīng)過(guò)植柱工藝后的變形云圖如圖2 所示，該CCGA 器件最大變形發(fā)生在基板的邊角處，最大值為3.0 μm。經(jīng)過(guò)植柱工藝加熱后CCGA 器件整體呈現(xiàn)四邊角朝焊柱方向翹曲的趨勢(shì)，器件中心變形小，越靠近邊緣變形越大，但是變形比例不大，約為8.57×10-5。器件經(jīng)過(guò)植柱工藝后的應(yīng)力云圖如圖3 所示，植柱過(guò)程中CCGA 器件的最大殘余應(yīng)力為69.22 MPa，出現(xiàn)在銅帶外表面與焊料接觸的位置。

圖2 器件經(jīng)過(guò)植柱工藝后的變形云圖

圖3 器件經(jīng)過(guò)植柱工藝后的應(yīng)力云圖

3 不同因素對(duì)CCGA 殘余應(yīng)力的影響

3.1 工藝參數(shù)設(shè)置

本文主要研究焊柱尺寸、焊膏厚度、回流曲線這3個(gè)參數(shù)對(duì)銅帶纏繞型CCGA 殘余應(yīng)力的影響，其中焊柱尺寸有11 種（見(jiàn)表3），焊料厚度有6 種，回流曲線有7 條。為了方便論述，本文以“焊柱尺寸_焊膏厚度_回流曲線”的形式對(duì)不同的工藝條件進(jìn)行命名。例如，文件名“chan404254_20_qu1”表示內(nèi)徑為0.404 mm、高度為2.54 mm、焊料高度為20 μm 的銅帶纏繞型焊柱在回流曲線1 工況下的應(yīng)力變化。在研究回流曲線對(duì)殘余應(yīng)力的影響時(shí)，重點(diǎn)考慮降溫速率這個(gè)因素對(duì)殘余應(yīng)力的影響。本文共設(shè)置了升溫階段完全一致、降溫速率從1 ℃/s 到4 ℃/s 依次遞增的7 條回流曲線。

表3 11 種銅帶纏繞型焊柱尺寸

3.2 參數(shù)優(yōu)化

本文的參數(shù)優(yōu)化過(guò)程是：①用控制單一變量的方法，單獨(dú)研究某參數(shù)對(duì)CCGA 殘余應(yīng)力的影響；②在3個(gè)參數(shù)組中分別選取3 個(gè)使得殘余應(yīng)力最低的參數(shù)參與正交優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到最優(yōu)工藝組合。表4 中數(shù)據(jù)展示了過(guò)程①的仿真計(jì)算結(jié)果。基于表4 中的數(shù)據(jù)，在每個(gè)變量因子中選取3 個(gè)最優(yōu)數(shù)據(jù)：回流曲線中選擇曲線3、曲線4、曲線7；焊柱尺寸中選擇404254、40381、30231；焊膏厚度中選擇24 μm、28 μm、30 μm。圖4、5 分別展示了殘余應(yīng)力隨降溫速率和焊料厚度的變化曲線。當(dāng)降溫速率在1～2 ℃/s 區(qū)間時(shí)，降溫速率越大，器件的殘余應(yīng)力越小；當(dāng)降溫速率超過(guò)2 ℃/s 時(shí)，降溫速率對(duì)器件殘余應(yīng)力的影響不大，都維持在66～67 MPa 之間。

表4 各試驗(yàn)條件的殘余應(yīng)力匯總

圖4 殘余應(yīng)力隨降溫速率的變化

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表5 所示，按L9(33)正交表設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)，可以得到實(shí)驗(yàn)工況之間的組合關(guān)系，并仿真計(jì)算出每種工況下的殘余應(yīng)力。

表5 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

圖5 殘余應(yīng)力隨焊料厚度的變化

4 結(jié)論

陶瓷柱柵陣列封裝因其優(yōu)良的電熱性能和高密度的信號(hào)互連，成為高可靠封裝形式的首選，被廣泛應(yīng)用于航空航天器件中。本文借助有限元數(shù)值分析手段，得到以下結(jié)論。

(1)經(jīng)過(guò)植柱工藝加熱后CCGA 器件整體呈現(xiàn)四邊角朝焊柱方向翹曲的趨勢(shì)，器件中心變形小，越靠近邊緣變形越大；模型的應(yīng)力分布均勻且數(shù)值較小，最大殘余應(yīng)力位于器件邊角銅帶與爬錫焊料的接觸點(diǎn)。

(2)當(dāng)降溫速率在1～2 ℃/s 區(qū)間時(shí)，降溫速率越大、器件的殘余應(yīng)力越??；當(dāng)降溫速率超過(guò)2 ℃/s 時(shí)，降溫速率對(duì)器件殘余應(yīng)力的影響不大，都維持在66～67 MPa 之間。當(dāng)焊柱內(nèi)徑為0.4 mm、焊柱高度為3.81 mm 時(shí)，殘余應(yīng)力最小。

(3)經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)，得到植柱工藝中制備銅帶纏繞型CCGA 器件的最優(yōu)工藝組合為：內(nèi)柱直徑0.40 mm、焊柱高度3.81 mm、銅帶厚度0.05 mm、銅帶帶寬0.305 mm、銅帶螺距0.534 mm、焊柱外徑0.50 mm、焊料厚度30 μm、降溫速率2.00 ℃/s。