超大規(guī)模CCGA器件板級互聯(lián)可靠性研究

朱家昌，潘福躍，王剛，吉勇

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

0 引言

隨著IC封裝向著高性能、小型化和高可靠性方向發(fā)展，球柵陣列（BGA：Ball Grid Array）封裝形式已經(jīng)成為當(dāng)代電子封裝的主流[1]。目前高端領(lǐng)域電子器件I/O數(shù)量已經(jīng)達(dá)到或超過2 000個，I/O節(jié)距已小到1 mm及1 mm以下，封裝尺寸已超過40 mm×40 mm；陶瓷球柵陣列（CBGA：Ceramic Ball Grid Array）封裝形式已無法滿足其可靠性要求。與CBGA相比，陶瓷柱柵陣列（CCGA：Ceramic Column Grid Array）適用于更大尺寸和更多I/O數(shù)器件的封裝。用柱柵取代球柵，緩解了二次組裝時由于熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的熱疲勞應(yīng)力問題，有效地提升了板級互聯(lián)可靠性[2-6]。CCGA板級組裝器件在實際的使用過程中要經(jīng)歷高低溫交替環(huán)境，由于陶瓷基板與PCB板熱失配造成互聯(lián)焊點(diǎn)的熱疲勞失效是其面臨的最大可靠性問題[1]，對于I/O引腳數(shù)在2 000以上的CCGA板級組裝器件來說，熱疲勞失效問題尤為突出[7-9]。國內(nèi)針對大尺寸2 000個引出端以上CCGA器件板級互聯(lián)的可靠性研究極少。本文以CCGA2577板級互聯(lián)器件為研究對象，進(jìn)行了溫循過程器件可靠性模擬仿真和試驗分析，對比了線型Pb90Sn10焊柱和銅帶纏繞型Pb90Sn10焊柱陣列板級互聯(lián)可靠性，借助Darveaux疲勞模型進(jìn)行了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的焊柱溫度循環(huán)疲勞壽命預(yù)測。

1 模型的建立和參數(shù)的選擇

選取封裝尺寸為52 mm×52 mm、51×51陣列、焊柱總數(shù)為2 577的CCGA2577板級互聯(lián)體作為模擬對象，實物如圖1所示。

圖1 CCGA2577板級互聯(lián)器件

CCGA器件的常用焊柱類型主要有線型焊柱和銅帶增強(qiáng)型焊柱。線型焊柱的主要成分是Pb90Sn10，如圖2a所示，兩端通過Sn63Pb37焊料分別與陶瓷外殼、PCB板焊接，加工成本低，適用于2 000個引出端以上CCGA器件板級互聯(lián)；銅帶增強(qiáng)型焊柱的主要成分是Pb90Sn10，其外側(cè)利用銅帶進(jìn)行纏繞，如圖2b所示，其熱沖擊性能優(yōu)于線型Pb90Sn10焊柱，適用于2 000個引出端以上CCGA器件板級互聯(lián)。

圖2 焊柱結(jié)構(gòu)

由于CCGA板級互聯(lián)中芯片對板級互聯(lián)焊柱的可靠性影響很小[10]，所以建模時不予考慮；同時可以忽略焊盤的影響?；贏NSYS有限元軟件構(gòu)建CCGA2577有限元模型，將器件簡化為陶瓷基板、焊料柱、釬料 和PCB基板。由于CCGA2577焊柱數(shù)量多且規(guī)則對稱排列，簡化構(gòu)建其沿對角線三維條狀模型來進(jìn)行可靠性分析，共25根焊柱。模型如圖3所示。

圖3 CCGA2577板級互聯(lián)三維條狀模型

仿真模型的結(jié)構(gòu)尺寸、材料參數(shù)如表1-2所示。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸

表2 材料參數(shù)

根據(jù)GJB 548方法1010.1試驗條件B，溫度循環(huán)加載條件如圖4所示。溫度范圍為：-55～+125 ℃，高低溫各保溫10 min，升降溫速率為3 ℃/s。零應(yīng)力參考溫度為25 ℃。

圖4 溫度循環(huán)曲線

2 模擬結(jié)果和分析

分別選擇焊柱直徑為0.51 mm、長度為2.54 mm、間距為1.0 mm的線型焊柱和銅帶纏繞型焊柱進(jìn)行CCGA2577板級互聯(lián)可靠性有限元分析。圖5所示為-55 ℃開始和125 ℃開始時不同結(jié)構(gòu)陣列焊柱的等效應(yīng)力分布圖?？梢钥闯?，不論是線型焊柱還是銅帶纏繞型焊柱，隨著焊柱離中心點(diǎn)的距離的增加，焊柱應(yīng)力也相應(yīng)地增加；應(yīng)力的最大位置均位于與距離中心最遠(yuǎn)的焊柱上，可以判斷邊角焊柱將是CCGA2577板級互聯(lián)器件的最易失效點(diǎn)。

圖5 -55 ℃和125 ℃下焊柱應(yīng)力分布圖

焊柱的成分為Pb90Sn10，是一種典型的粘塑性材料，在溫度循環(huán)條件下由于陶瓷基板與PCB板的熱膨脹系數(shù)的差異，表現(xiàn)出明顯的蠕變和應(yīng)力松弛行為。最邊角焊柱在熱載荷下的應(yīng)力分布和蠕變應(yīng)變能密度分布如圖6-7所示。應(yīng)力分布和蠕變應(yīng)變能密度是判定焊柱失效位置的重要依據(jù)?？梢钥闯觯€型焊柱的最大應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生在兩端釬料與焊柱的接觸界面的焊柱體上，其蠕變應(yīng)變能密度的最大區(qū)域和最大應(yīng)力集中區(qū)域一致，因此可以判斷在多次熱載荷后隨著焊柱蠕變應(yīng)變能的累計，其失效模式將是兩端釬料與焊柱的接觸界面發(fā)生焊柱斷裂失效。與線型焊柱不同，銅帶纏繞型焊柱的最大應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生在靠近兩端釬料的銅帶上，而蠕變應(yīng)變能密度的最大區(qū)域發(fā)生在靠近陶瓷一側(cè)的銅帶與焊柱接觸界面的焊柱體上，可以判斷在多次熱載荷后隨著焊柱蠕變應(yīng)變能的累計，其失效模式將是靠近陶瓷一側(cè)沿著銅帶與焊柱接觸界面的焊柱斷裂失效，其斷裂裂紋擴(kuò)展長度將大于線型焊柱裂紋擴(kuò)展長度；同時，銅帶纏繞型焊柱外側(cè)銅帶在熱載荷條件下受力發(fā)生塑性變形，可以有效地緩解內(nèi)側(cè)基體Pb90Sn10焊柱的蠕變變形，降低其蠕變變形能，可以判斷銅帶纏繞型焊柱表現(xiàn)出更為優(yōu)異的熱應(yīng)力疲勞壽命，器件板級互聯(lián)可靠性更高。

圖6 邊角焊柱應(yīng)力分布圖

取邊角焊柱的最大應(yīng)力點(diǎn)位置進(jìn)行周期性應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)分析。如圖8所示，應(yīng)變水平呈現(xiàn)明顯的周期性增長和松弛變化規(guī)律。降溫階段，由于熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致焊柱內(nèi)應(yīng)力增大；升溫及高溫保溫階段，由于焊柱蠕變行為產(chǎn)生應(yīng)力松弛導(dǎo)致應(yīng)力降低。如圖9所示，焊柱溫度循環(huán)過程產(chǎn)生塑性變形和蠕變變形，其中蠕變變形遠(yuǎn)大于塑性變形，呈周期性變化，是導(dǎo)致焊點(diǎn)失效的主導(dǎo)因素。

圖8 焊柱等效應(yīng)力隨時間變化曲線

圖9 焊柱等效應(yīng)變隨時間變化曲線

圖7 邊角焊柱蠕變應(yīng)變能密度分布圖

為了驗證上述模型的設(shè)計仿真的準(zhǔn)確性，設(shè)計菊花鏈焊盤互連結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行線型焊柱和銅帶纏繞型焊柱的CCGA2577板級互聯(lián)溫循試驗。焊柱直徑為0.51 mm、長度為2.54 mm、間距為1.0 mm。試驗條件滿足GJB 548方法1010.1試驗條件B，失效判據(jù)為回路電阻增大200%或回路電阻＞100 Ω。通過試驗發(fā)現(xiàn)，線型焊柱CCGA2577板級互聯(lián)體經(jīng)過600次溫循后發(fā)生斷路失效，失效模式為靠近陶瓷和PCB板兩側(cè)的焊柱沿釬料與焊柱接觸界面橫向開裂，如圖10a所示；銅帶纏繞型焊柱CCGA2577板級互聯(lián)器件經(jīng)過1 000次溫循后發(fā)生斷路失效，失效模式為靠近陶瓷和PCB板處的焊柱沿銅帶與焊柱接觸界面斜向開裂，如圖10b所示；從圖中可以看出試驗結(jié)果與模擬結(jié)果一致。

圖10 溫循后不同焊柱板級互聯(lián)失效模式

3 熱循環(huán)疲勞壽命預(yù)測

基于CCGA2577板級互聯(lián)結(jié)構(gòu)，選用Darveaux疲勞模型[11]進(jìn)行線型焊柱和銅帶纏繞型焊柱疲勞壽命預(yù)測。Darveaux疲勞模型是一種基于應(yīng)變能的理論計算模型，通過焊點(diǎn)非彈性過程應(yīng)變能密度來計算焊點(diǎn)裂紋產(chǎn)生之前和裂紋擴(kuò)展至整個焊點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)，二者之和即為焊點(diǎn)疲勞壽命。計算公式如公式（1）所示：

式（1）中：Nt——焊柱斷裂之前總循環(huán)數(shù)（疲勞壽命）；

No——裂紋開始產(chǎn)生之前循環(huán)數(shù)；

D——裂紋擴(kuò)展長度。

No和分別由公式（2）、（3）得出：

式（2）-（3）中：K1、K2、K3、K4——常數(shù)；

?Wave——焊點(diǎn)每個溫度循環(huán)所積累的應(yīng)變能密度。

一般認(rèn)為，經(jīng)過3個溫度循環(huán)過程后，每個循環(huán)過程積累的應(yīng)變能是相同的, 裂紋的生長速度也是恒定的。

基于Darveaux疲勞模型對比分析了線型和銅帶纏繞型焊柱在不同長度、直徑下的板級互聯(lián)熱循環(huán)疲勞壽命變化規(guī)律。焊柱疲勞壽命隨著焊柱長度變化的變化曲線如圖11所示。可以看出，隨著焊柱長度的增加，焊柱疲勞壽命呈增長趨勢。焊柱長度的增加可以緩沖熱失配造成的應(yīng)力累積，降低單個循環(huán)的平均應(yīng)變能密度，提高壽命；銅帶纏繞型焊柱疲勞壽命顯著優(yōu)于線型焊柱，根據(jù)Darveaux疲勞模型，決定疲勞壽命的主要因素是單個循環(huán)的應(yīng)變能密度和裂紋擴(kuò)展長度。溫度循環(huán)過程銅帶纏繞型焊柱的變形能一部分轉(zhuǎn)化為銅帶的塑性變形能，降低了焊柱的蠕變變形能密度，同時銅帶纏繞型焊柱裂紋沿銅帶斜向擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展長度要大于線型焊柱的裂紋擴(kuò)展長度，因此其疲勞壽命更高，與上述試驗結(jié)果保持一致。焊柱長度增加會造成器件電性能和機(jī)械性能的降低，需要根據(jù)實際的工程需求來選擇合適的焊柱長度。

圖11 焊柱長度對板級互聯(lián)熱循環(huán)疲勞壽命的影響

焊柱疲勞壽命隨著焊柱直徑變化的變化曲線如圖12所示，從圖12中可以看出，隨著焊柱直徑的增加，焊柱裂紋擴(kuò)展長度相應(yīng)地增加，導(dǎo)致焊柱疲勞壽命增長；同樣，銅帶纏繞型焊柱疲勞壽命顯著地優(yōu)于線型焊柱。焊柱直徑的增加會降低焊柱兩端焊料的爬錫高度，造成器件機(jī)械性能的降低，需要根據(jù)實際的工程需要來選擇合適的焊柱直徑。

圖12 焊柱直徑對焊柱疲勞壽命的影響

4 結(jié)束語

本文開展了CCGA2577板級互聯(lián)器件的溫循過程可靠性模擬仿真和試驗研究，對比分析了線型Pb90Sn10焊柱和銅帶纏繞型Pb90Sn10焊柱陣列的板級互聯(lián)可靠性，進(jìn)行了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下焊柱的熱循環(huán)疲勞壽命預(yù)測，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

a）CCGA2577板級互聯(lián)器件邊角焊柱的應(yīng)力應(yīng)變水平最高，最易發(fā)生失效。

b）結(jié)合線型和銅帶纏繞型焊柱應(yīng)力、蠕變變形能密度分布情況，判斷出線型和銅帶纏繞型焊柱失效的危險點(diǎn)；經(jīng)過試驗分析，線型焊柱疲勞失效模式表現(xiàn)為焊柱兩側(cè)釬料與焊柱接觸界面橫向裂紋，銅帶纏繞型焊柱疲勞失效模式表現(xiàn)為靠近陶瓷一側(cè)銅帶與焊柱接觸界面斜向裂紋，其斷裂裂紋擴(kuò)展長度將大于線型焊柱裂紋擴(kuò)展長度，表現(xiàn)出更高的可靠性。

c）由于銅帶纏繞型焊柱外側(cè)銅帶在熱載荷條件下的塑性變形作用，分?jǐn)偟舨糠趾钢渥冏冃文埽伊鸭y擴(kuò)展長度大于線型焊柱，可有效地緩解內(nèi)側(cè)基體Pb90Sn10焊柱的蠕變變形，降低其蠕變變形能，表現(xiàn)出更為優(yōu)異的熱應(yīng)力疲勞壽命。

d）基于Darveaux疲勞模型計算，焊柱直徑和長度的增加均能有效地提高焊柱溫度循環(huán)疲勞壽命，能夠提高CCGA器件板級互聯(lián)可靠性。