銅帶纏繞型CCGA 的加固工藝參數(shù)優(yōu)化*

張國光，田文超，劉美君，從昀昊，陳思，王永坤

（1.佛山市藍箭電子股份有限公司，廣東佛山 528051；2.西安電子科技大學機電工程學院，西安 710068；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所電子元器件可靠性物理及其應用技術國家級重點實驗室，廣州 511370）

1 引言

20 世紀90 年代初出現(xiàn)的陶瓷柱柵陣列（CCGA）封裝是在陶瓷球柵陣列（CBGA）封裝的基礎上發(fā)展而來的。傳統(tǒng)的CBGA 采用焊球連接陶瓷基板與印制電路板（PCB），焊球的尺寸過小會導致基板與印制電路板之間垂直距離過近。同時由于氧化鋁陶瓷芯片載體和印制電路板的熱膨脹系數(shù)差異較大，CBGA 器件容易產(chǎn)生熱失配問題[1]。CCGA 器件采用柱柵取代球柵，適當增加了器件與印制電路板的間距，有效緩解了熱失配問題，提高了封裝器件的可靠性[2]。作為典型的大尺寸、高密度、高可靠性的封裝器件，CCGA 器件相比于其他封裝器件具有明顯的優(yōu)勢，它在保證可靠性的同時，輸入/ 輸出接口的數(shù)量能夠超過1 000 個[3]。1982 年，Raychem 公司研發(fā)了銅帶纏繞型焊柱[4]，其主要成分是Pb80Sn20，采用銅帶等螺距纏繞在釬料內(nèi)柱上。在內(nèi)柱上纏繞銅帶，可以有效增加焊柱的機械性能，銅帶優(yōu)異的導熱性能還可以輔助焊柱快速降溫散熱[5]，使得CCGA 器件的可靠性更高。目前，國內(nèi)外關于CCGA 封裝工藝的研究主要集中在加工工藝、焊膏涂覆工藝、落焊控溫工藝、返工工藝等方面[7-13]，鮮少有人關注CCGA 的植柱工藝[14]。實際上，不同的固化溫度條件、填充膠材料、點膠位置和點膠量等工藝參數(shù)都會嚴重影響銅帶纏繞型CCGA 的焊接質(zhì)量，因此本文開展了基于銅帶纏繞型CCGA 的加固工藝參數(shù)的優(yōu)化工作，給實際工程制造提供一定的工藝參數(shù)指導。

2 建模與仿真

2.1 材料參數(shù)的設定

綜合考慮材料的熱學性能和力學性能，仿真試驗選取了FP4526 型和U8410-99 型2 種固化填充膠，上述固化膠均具有與焊膏、焊柱相近的熱膨脹系數(shù)和彈性模量以及良好的流動性，并且是市面上最常用于陶瓷基板元件的固化膠。此外，仿真試驗中涉及到的材料還包括焊膏、焊柱、陶瓷基板、銅帶以及PCB，共涉及到導熱系數(shù)、比熱容、密度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)和泊松比6 個材料參數(shù)，所有關鍵材料的參數(shù)如表1所示。

表1 關鍵材料參數(shù)

2.2 器件模型與邊界條件

以銅帶纏繞型CCGA1144 為研究對象，其焊柱陣列的排列方式為矩陣34×34，中心距為1 mm，四邊角各去除3 根焊柱，共計1 144 根焊柱。因為焊柱、焊膏和銅帶的數(shù)目眾多且排布規(guī)則，模型具有明顯的軸對稱和中心對稱特征。為了減少重復計算，縮短計算時長，提高研究效率，在保證仿真計算精度的前提下簡化結(jié)構(gòu)，構(gòu)建如圖1 所示的銅帶纏繞型CCGA 的1/4加固模型，進行仿真分析。CCGA 焊接組件主要由芯片、陶瓷基板、焊料、焊柱、纏繞銅帶和PCB 6 個部分構(gòu)成，加固模型的焊柱結(jié)構(gòu)側(cè)視爆炸圖如圖2 所示，模型具體的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表2 所示。

表2 模型的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

圖1 銅帶纏繞型CCGA 的1/4 加固模型

圖2 加固模型的焊柱結(jié)構(gòu)側(cè)視爆炸圖

在建模時，對模型的結(jié)構(gòu)和材料首先做出以下幾點假設：（1）所有銅帶纏繞型焊柱的尺寸形態(tài)和排布角度一致，嚴格按照1 mm 中心距的標準，對焊柱進行無誤差排列，焊柱內(nèi)部與表面均無缺陷，處于完全理想的狀態(tài)；（2）所有封裝材料都是與溫度變化無關的線彈性材料；（3）忽略助焊劑、活化劑、焊盤等細微材料或結(jié)構(gòu)；（4）所有焊點都致密，無氣孔、空洞缺陷，焊膏爬錫高度統(tǒng)一，在四周均勻包裹焊柱；（5）主要按照熱傳導方式對器件進行加熱，忽略熱對流與熱輻射作用。

對模型的所有外表面施加溫度載荷，固化溫度曲線如圖3 所示，共歷時10 200 s。對稱邊界載荷施加位置如圖4 所示，對6 個對稱面（圖4 中的紅色區(qū)域）施加對稱邊界載荷，不再額外加熱。固定位移約束位置如圖5 所示，在PCB 下表面的中心處施加直徑為3 mm的圓形固定位移約束。

圖3 固化溫度曲線

圖4 對稱邊界載荷施加位置

圖5 固定位移約束位置

2.3 仿真結(jié)果

模型經(jīng)過加固工藝后的整體殘余應力分布情況如圖6 所示。分別提取基板、內(nèi)柱、銅帶、焊料4 個部分中殘余應力最大的點：A 點為基板殘余應力最大點，其最大殘余應力為0.134 8 MPa；B 點為內(nèi)柱殘余應力最大點，其最大殘余應力為8.839×10-2～2 MPa；C 點為銅帶殘余應力最大點，其最大殘余應力為1.399 5 MPa；D 點為焊料殘余應力最大點，其最大殘余應力為9.549 MPa。出現(xiàn)最大殘余應力的邊角焊柱如圖7 所示，焊柱的剖面如圖8 所示。

由以上仿真結(jié)果可以觀察到模型的表面整體呈現(xiàn)深藍色，說明組件的整體殘余應力分布均勻且數(shù)值較小，最大殘余應力出現(xiàn)在最邊角基板端的焊膏與銅帶接觸的位置，具體為圖6 中D 點，其數(shù)值為9.549 MPa。結(jié)合圖7 和圖8，分析銅帶纏繞型焊柱的受力情況，內(nèi)柱的殘余應力很小，大部分殘余應力出現(xiàn)在銅帶上，說明外側(cè)銅帶具有支撐焊柱、承擔應力的作用。

圖6 整體殘余應力云圖

圖7 出現(xiàn)最大殘余應力的邊角焊柱

圖8 焊柱的剖面

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 固化溫度條件對CCGA 組件可靠性的影響

在研究固化溫度變化對殘余應力的影響時，共設置了9 條固化溫度曲線，其固化溫度條件參數(shù)如表3所示?；诳刂谱兞糠?，使用FP4526 型填充膠，并在靠近PCB 端、在陶瓷基板與PCB 間距的1/6 范圍內(nèi)填充固化膠。保持上述工況不變，共進行了9 次仿真試驗，得到不同固化溫度條件下的最大殘余應力結(jié)果如表4 所示。

表3 固化溫度條件參數(shù)

表4 不同固化溫度條件下的最大殘余應力

由以上數(shù)據(jù)結(jié)果可知，當固化溫度的升降溫速率從5 ℃/min 提升到10 ℃/min 時，最大殘余應力也從9.549 MPa 逐步升至14.289 MPa；而固化時間在100～140 min 內(nèi)變化時，加固工藝中的殘余應力變化不大。

3.2 點膠位置和點膠量對CCGA 組件可靠性的影響

采用灌封固化填充膠的方式對銅帶纏繞型CCGA 組件進行加固。加固位置可以分為在PCB 端根部填充和在基板端根部填充2 種。在靠近PCB 端的焊柱根部的填充分布情況如圖9 所示，當填充膠靠近PCB 端時，PCB 作為底面受到固定約束；在靠近基板端的焊柱根部的填充分布情況如圖10 所示，當填充膠位于陶瓷基板根部時，固定約束施加在基板底面上?？梢酝ㄟ^調(diào)整在PCB 端的固化膠的填充高度h 和在基板端的固化膠的填充高度H 來實現(xiàn)點膠量的變化。把陶瓷基板與PCB 之間的間距3.73 mm 六等分，每單位高度為0.622 mm。分別在陶瓷基板與PCB 間距的1/6～5/6 之間填充固化膠（后文簡述為在基板端點膠1/6～5/6 和在PCB 端點膠1/6～5/6），得到固化填充膠的高度H 或h 分別為0.622 mm、1.243 mm、1.865 mm、2.487 mm 和3.108 mm。

圖9 在靠近PCB 端的焊柱根部填充分布情況

圖10 在靠近基板端的焊柱根部填充分布情況

在研究不同的點膠位置和點膠量對加固模型最大殘余應力及變形量的影響時，選擇FP4526 填充膠，在固化溫度曲線1 的條件下，進行10 次仿真試驗，得到的最大殘余應力結(jié)果如圖11 所示。

由圖11 可以得出：（1）在陶瓷基板端點膠，隨著點膠量的變化，模型最大殘余應力總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中最大值為13.044 MPa，出現(xiàn)在F3處；（2）在PCB 端點膠，隨著點膠量的變化，模型最大殘余應力的變化幅值為9.549～32.672 MPa，殘余應力與填充高度呈現(xiàn)線性關系，其中最大值為32.672 MPa，出現(xiàn)在D5處；（3）整體上，在基板端填充的殘余應力小于在PCB 端填充的殘余應力，尤其是在填充高度超過1.865 mm 時，前者的殘余應力遠小于后者。由上述現(xiàn)象可得出結(jié)論：相比于在基板端固化膠填充量的變化，在PCB 端固化膠填充量的變化對最大殘余應力的影響更加明顯。

圖11 在不同的點膠位置與點膠量下的最大殘余應力變化趨勢

根據(jù)理論分析，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能有：（1）陶瓷基板的彈性模量遠大于PCB，因此當在PCB 端進行固化填充時，其殘余應力與在陶瓷基板端固化填充時產(chǎn)生的殘余應力相比有明顯提升；（2）本仿真中，只在PCB 下表面的中心處施加了直徑為3 mm 的圓形固定位移約束，對陶瓷基板端并未施加任何約束條件，因此，在PCB 端進行固化填充時出現(xiàn)的殘余應力一定大于在陶瓷基板端進行固化填充時出現(xiàn)的殘余應力。

3.3 填充膠材料對CCGA 組件可靠性的影響

由于加固工藝的參數(shù)眾多，為了方便論述，下文以“C_點膠位置_點膠量_固化溫度曲線_填充膠材料”的形式對不同的試驗條件進行命名。在點膠位置中用“PCB”表示在PCB 端的填充，用“SUB”表示在陶瓷基板端的填充。例如，在試驗條件“C_SUB_1_gu7_FP”中，C 代表加固工藝，SUB 表示在基板端填充固化膠，1 表示點膠量為1/6，gu7 表示采取固化溫度曲線7的加熱方式，F(xiàn)P 表示采用FP4526 型環(huán)氧樹脂填充膠。

本文基于控制變量法研究FP4526 型和U8410-99型 2 種填充膠材料對模型的影響， 選取“C_SUB_1_gu7”和“C_PCB_1_gu1”2 種工藝參數(shù)，分別計算在使用FP4526 型和U8410-99 型填充膠時模型的最大殘余應力，得到的仿真結(jié)果如表5 所示。

表5 在相同試驗條件下使用2 種填充膠的最大殘余應力

使用不同的填充膠材料的銅帶纏繞型CCGA 器件在進行加固工藝時，在其他參數(shù)保持一致的條件下，使用U8410-99 型填充膠的模型的最大殘余應力大于使用FP4526 型填充膠的模型的最大殘余應力，因此推薦使用FP4526 型固化填充膠。根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)可知，相比于U8410-99 型填充膠，F(xiàn)P4526 型填充膠的彈性模量更小，其熱膨脹系數(shù)與焊柱、焊膏更接近，所以其殘余應力更小。

3.4 參數(shù)優(yōu)化

正交試驗法是常見的試驗設計方法之一，主要用于研究多因素對產(chǎn)品某特性的影響、改善產(chǎn)品的設計和優(yōu)化工藝流程等[6]。正交表是正交試驗設計的重要組成部分，借助正交表可以從大量試驗條件中選取少量代表性強的試驗條件，更加科學合理地安排試驗。本文采用L9（34）正交表進行工藝參數(shù)優(yōu)化。

正交試驗選取2 種填充膠材料：U8410-99 和FP4526。選取3 個點膠位置及3 種點膠量：在PCB 端點膠1/6、在基板端點膠1/6、在基板端點膠2/6。選取3個固化溫度條件：固化曲線1、4、7。

為了方便后續(xù)計算，將試驗的3 個因素包括填充膠材料、點膠位置及點膠量、固化溫度條件分別用字母A、B、C 表示，將每個因素的不同工藝分別用1、2、3表示，即：A1 表示填充膠材料選用U8410-99，A2 表示填充膠材料選用FP4526；B1 表示在PCB 端點膠1/6，B2 表示在基板端點膠2/6，B3 表示在基板端點膠1/6；C1 表示固化曲線1，C2 表示固化曲線4，C3 表示固化曲線7。正交試驗結(jié)果如表6 所示。

表6 正交試驗表

將不同工藝下的各指標數(shù)據(jù)求和，稱作指標和，用Ki表示（i 表示同種因素不同工藝的順序號)，再取不同工藝下試驗的指標和的平均值，稱作指標平均值，用Ki表示，并定義極差為R，用式（1）來描述各因素在試驗中地位的主次：

極差分析如表7 所示。

表7 極差分析表

引入的極差R 能表示因素對試驗指標的影響力，極差大的表明該因素對指標的影響力大，通常稱其為主要因子。極差小的表明該因素對指標的影響力小，稱其為次要因子。通過比較Ki的大小能判定i 因素的最優(yōu)工藝，對于同一因素的不同工藝，Ki越大說明選用該試驗條件所產(chǎn)生的殘余應力越大。分析表7 的數(shù)據(jù)可知，填充膠材料中的最優(yōu)參數(shù)為FP4526，點膠位置及點膠量中的最優(yōu)參數(shù)為在基板端點膠1/6，固化溫度條件中最優(yōu)參數(shù)為固化曲線1。3 個因素的影響力從大到小排序為：固化溫度條件、填充膠材料、點膠位置及點膠量。

結(jié)合以上所有仿真試驗結(jié)果，得出加固工藝的優(yōu)選參數(shù)組合：使用FP4526 型填充膠，在靠近基板端底部灌封填充高度為0.622 mm 的固化膠，采用固化溫度曲線1 的方式加熱，此時產(chǎn)生的最大殘余應力是9.497 MPa。

4 結(jié)論

本文基于有限元仿真理論，利用ANSYS Workbench 軟件，采用瞬態(tài)熱與瞬態(tài)結(jié)構(gòu)耦合分析的研究方法，針對銅帶纏繞型CCGA 加固工藝的參數(shù)進行仿真優(yōu)化，獲取優(yōu)選工藝參數(shù)組合，用于指導實際工程生產(chǎn)，得到結(jié)論如下。

（1）經(jīng)過固化加熱后，模型整體的殘余應力分布均勻且數(shù)值較小，最大殘余應力出現(xiàn)在最邊角基板端焊膏與銅帶接觸的位置，數(shù)值為9.549 MPa。外側(cè)銅帶具有支撐焊柱、承擔應力的作用，內(nèi)柱的殘余應力很小，絕大部分殘余應力出現(xiàn)在銅帶上。

（2）當固化溫度的升溫速率從5 ℃/min 提升到10 ℃/min 時，最大殘余應力也從9.549 MPa 逐步升至14.289 MPa，而固化時間在100～140 min 內(nèi)變化時，對加固工藝中的殘余應力影響不大。整體上，在基板端填充所產(chǎn)生的殘余應力小于在PCB 端填充所產(chǎn)生的殘余應力；隨著PCB 端的填充量不斷增加，模型的最大殘余應力逐漸增大；隨著基板端的填充量不斷增加，殘余應力先增大后減?。幌啾扔谠诨宥它c膠填充量的變化，在PCB 端點膠填充量的變化對殘余應力的影響更明顯。使用U8410-99 型填充膠所產(chǎn)生的最大殘余應力大于FP4526 型填充膠，因此推薦使用FP4526 型固化填充膠。

（3） 加固工藝的優(yōu)選工藝參數(shù)組合為：使用FP4526 型填充膠，在靠近基板端底部灌封填充高度為0.622 mm 的固化膠，采用固化溫度曲線1 的方式加熱，此時產(chǎn)生的最大殘余應力是9.497 MPa。