CCGA及CBGA封裝器件加固可靠性研究

李進保 張越輝 楊 迪

CCGA及CBGA封裝器件加固可靠性研究

李進保 張越輝 楊 迪

（北京計算機技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京 100854）

針對CCGA及CBGA封裝器件的焊點可靠性問題采用ANSYS有限元模擬分析的方法，分別對器件加固前和加固后焊點的應(yīng)力情況進行仿真，確認(rèn)在器件的四角進行加固可以有效地降低器件焊點在溫循、振動環(huán)境試驗下受到的應(yīng)力，且隨著加固范圍的擴大，焊點受到的應(yīng)力值呈現(xiàn)變小的趨勢；通過實物樣件試驗驗證，當(dāng)使用環(huán)氧膠對器件每角加固1/4長度，可以有效保證器件在溫循、振動和沖擊試驗過程中的可靠性。

CCGA；CBGA；有限元分析；加固；可靠性

1 引言

隨著航空電子產(chǎn)品芯片向精細(xì)化、高集成度和國產(chǎn)化替代方向發(fā)展，以CBGA/CCGA為代表的底部高鉛焊端封裝器件使用越來越廣泛，該類器件本體尺寸較大，質(zhì)量重，若加固不當(dāng)，焊點易在沖擊、振動等試驗過程中開裂失效[1～3]，而器件在實際使用過程中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形很難通過試驗來精準(zhǔn)測量。采用有限元仿真，分析加固前后器件的應(yīng)力分布情況，并通過試驗驗證加固方法的有效性，為實現(xiàn)軍工產(chǎn)品高可靠性的目的提供有效支撐。

2 有限元建模仿真分析

2.1 樣件的選型

依據(jù)型號產(chǎn)品中使用的CCGA及CBGA器件封裝形式以及市場現(xiàn)有采購到的器件規(guī)格，確定以CCGA（JXCSX95T）引腳數(shù)量為1136，中心距1mm，直徑0.51mm和CBGA（JXCF128X）引腳數(shù)量為128，中心距為1mm，直徑0.76mm的器件作為試驗樣件。

常用加固膠有機硅橡膠和環(huán)氧樹脂膠。有機硅膠屬于濕空氣硫化型密封膠，機械性能和耐磨性能差，而環(huán)氧樹脂含有多種極性基團和活性很大的環(huán)氧基，機械性能和耐磨性好，且使用有機硅膠加固產(chǎn)品在沖擊試驗過程中出現(xiàn)過焊點失效情況，因此，以環(huán)氧膠為研究對象建立模型。

2.2 建模

采用美國ANSYS公司的電子產(chǎn)品分析軟件Workbench下的靜力學(xué)、模態(tài)、隨機振動等分析模塊，對CBGA、CCGA、印制板的組合體進行力學(xué)分析。CBGA/CCGA與印制板焊接結(jié)構(gòu)涉及的材料眾多，熱膨脹系數(shù)也有較大差別，具體使用材料的物理性質(zhì)如表1所示。

表1 CBGA/CCGA焊接材料物性參數(shù)

根據(jù)某產(chǎn)品典型PCB布局及各器件物理特性參數(shù)建立PCBA組件模型[4]，如圖1所示。

圖1 三維模型

2.3 約束條件

依據(jù)樣板產(chǎn)品在使用過程中的緊固要求，在印制板組件的安裝孔處使用35N?cm的力矩進行約束，約束位置如圖2所示。

圖2 約束位置

2.4 激勵條件

依據(jù)QJ3086A《表面和混合安裝印制電路板組裝件的高可靠性焊接》要求，對組件施加溫度循環(huán)和隨機振動激勵[5]，溫度循環(huán)試驗條件為-55～100℃之間，高低溫各保持10min，溫變速率不大于10℃/min；隨機振動條件見表2。

表2 振動邊界條件

為了驗證印制板組件在實際使用中受到的最大綜合應(yīng)力，將溫度循環(huán)與振動條件疊加后對組件進行應(yīng)力仿真。通過單項振動仿真得知印制板組件方向應(yīng)力最大（如圖3所示），將溫度循環(huán)條件與方向振動進行疊加。

圖3 振動方向定義

2.5 有限元求解

2.5.1 器件加固前仿真求解

通過ANSYS自帶的求解器計算在給定的激勵條件下，對加固前電路板及其上元器件所受的應(yīng)力進行分析，仿真應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 加固前器件應(yīng)力云圖

由圖4可知，兩器件應(yīng)力最大值分別為43.677MPa、41.938MPa，最大應(yīng)力產(chǎn)生于球體/柱體與焊盤連接區(qū)域。

對于Sn-Pb合金層，當(dāng)厚度在1～3μm時，合金層可承受的應(yīng)力強度最小為30MPa，結(jié)合溫度循環(huán)和振動疊加后的仿真結(jié)果，器件CCGA、CBGA在按標(biāo)準(zhǔn)試驗后，焊點承受的最大應(yīng)力值大于合金層可承受的最小應(yīng)力值（30MPa），因此需要采取加固措施。

2.5.2 器件加固后仿真求解

考慮產(chǎn)品有低氣壓使用環(huán)境要求，沿器件四周加固，器件底部會形成一個密閉空間，導(dǎo)致器件內(nèi)外產(chǎn)生壓差，從而使器件承受額外的應(yīng)力以及加固可靠性的降低[6]。因此，為了滿足器件實際使用的要求，提高器件的可靠性，將器件四角進行加固，加固長度分別取器件長和寬的1/5、1/4，在溫循和振動疊加激勵下進行模擬仿真，與加固前進行比較，如圖5所示。

圖5 加固后器件應(yīng)力云圖

由圖5分析可知，將器件的四角進行加固后，器件受到的應(yīng)力值較約束前明顯變小，且隨著加固長度的增大，受力呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢。當(dāng)加固長度為器件的1/4時，由仿真結(jié)果可知CCGA受到的最大應(yīng)力值為7.6162MPa，CBGA受到的最大應(yīng)力值為0.239MPa，遠(yuǎn)小于合金層最小可承受的應(yīng)力值30MPa。

因此通過模擬仿真試驗，理論上在器件四周增加加固措施，加固長度為器件的1/4，可以降低器件及焊點受到的應(yīng)力，滿足可靠性的要求。

3 可靠性試驗驗證

試驗用焊膏：銦泰Pb62.6Sn0.4Ag。

試驗用印制板：FR-4基材的印制板。

鋼網(wǎng)厚度[7]：CBGA(0.15mm)、CCGA(0.18mm)，開孔方式1:1。

試驗器件：CBGA和CCGA。

焊盤大小[8]：CBGA焊盤與焊球直徑1:1，CCGA焊盤與焊柱直徑1.27:1。

焊接曲線：加熱因子[9～11]為：1160sec·℃。

加固膠：環(huán)氧膠E-51。

加固方式：使用三防保護膠帶對焊點進行防護（其具有絕緣性），膠帶附著在器件側(cè)壁的1/2寬度，長度與環(huán)氧膠加固的長度一致，如圖6所示，加固實物見圖7。

圖6 焊點保護

圖7 加固實物圖

將檢驗合格的產(chǎn)品進行可靠性試驗，試驗樣品數(shù)量3片，試驗項目包括溫度循環(huán)、隨機振動、機械沖擊，其中1#～3#進行溫度循環(huán)試驗，取1#樣品進行金相分析，2#～3#樣品進行隨機振動試驗，3#樣品進行機械沖擊試驗（條件見表3），如表4所示。

表3 機械沖擊試驗條件

表4 加固可靠性試驗方案

將環(huán)氧膠E-51加固并經(jīng)過可靠性試驗后的樣件進行磨樣、金相分析，所檢焊點均未見不潤濕或開裂現(xiàn)象，切片結(jié)果如圖8所示。

圖8 金相分析

綜上，通過實驗分析表明，當(dāng)器件焊接合格后，采用環(huán)氧膠對器件的四角進行加固，加固長度為邊長的1/4時，可以有效保證焊點在振動和沖擊試驗中的可靠性。

4 結(jié)束語

通過采用有限元模擬分析的方法，分別對CCGA及CBGA封裝器件加固前和加固后焊點的應(yīng)力情況進行仿真，確認(rèn)在器件的四角進行加固可以有效地降低器件焊點在溫循、振動環(huán)境試驗下受到的應(yīng)力，且隨著加固范圍的擴大，焊點受到的應(yīng)力值呈現(xiàn)變小的趨勢，并通過實物樣件驗證了環(huán)氧膠對器件加固的有效性，當(dāng)使用環(huán)氧膠對器件每角加固1/4時，可以有效保證器件在溫循、振動和沖擊試驗過程中的可靠性。

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Research on The Reliability of CCGA and CBGA Package Devices

Li Jinbao Zhang Yuehui Yang Di

(Beijing Institute of Computer Technology and Applications, Beijing 1008542)

Aiming at the reliability of the solder joints of CCGA and CBGA packaged devices, ANSYS finite element simulation analysis method is used to simulate the stress of the solder joints before and after the device reinforcement. It is confirmed that strengthening at the four corners of the device can effectively reduce the stress of the solder joints under the temperature cycle and vibration environment tests. The stress value of solder joint showed a decreasing trend with the expansion of the reinforcement range. According to the sample test, when the epoxy adhesive is used to reinforce 1/4 length of each corner of the device, the reliability of the device in the process of temperature cycle, vibration and impact test can be effectively guaranteed.

CCGA；CBGA；finite element analysis and grass；reinforcement；reliability

101-TP391.9 A

A

李進保（1989），本科，機械設(shè)計專業(yè)；研究方向：電子裝聯(lián)技術(shù)。

2023-06-12