田文超，劉美君，辛 菲，張國光，陳逸晞

（1.西安電子科技大學機電工程學院，西安 710068；2.佛山市藍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，在很多應用領(lǐng)域，一個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2000 個[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)域獲得越來越多的應用。隨著I/O 數(shù)的增加，如何減小封裝尺寸，同時保證封裝的可靠性已成為高密度封裝領(lǐng)域普遍關(guān)注的焦點問題[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)過植柱、回流、加固3 個工藝流程。

目前國內(nèi)關(guān)于CCGA 的研究主要集中在封裝可靠性方向，尤其是施加高低溫熱循環(huán)、隨機振動等載荷后的焊柱可靠性問題。呂曉瑞等人針對銅帶纏繞型焊柱CCGA 板級裝聯(lián)結(jié)構(gòu)在溫度循環(huán)和隨機振動載荷下焊點的失效模式和失效機理進行研究[3]。李菁萱等人對高溫存儲、溫度循環(huán)、多次返工后的銅帶纏繞型CCGA 器件焊點進行分析，并進行了截面掃描電子顯微鏡分析，分析了高溫存儲、溫度循環(huán)、多次返工對元器件級外引出端焊點可靠性的影響[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，以應變?yōu)閷驅(qū)钢煽啃赃M行模擬優(yōu)化設(shè)計[5]。蘇德志等人對CCGA1140 器件進行建模，通過加載熱環(huán)境載荷來分析柱柵陣列的應力應變、蠕變和位移變形，進而識別出封裝過程和熱環(huán)境試驗中器件最薄弱環(huán)節(jié)是柱柵陣列最外側(cè)四角的焊點處[6]。毛沖沖等人針對CCGA 焊接界面在熱沖擊試驗中出現(xiàn)的斷裂失效問題，探討了如何通過加固CCGA 焊接界面來提高器件可靠性的工藝技術(shù)[7]。針對CCGA 的焊接工藝鮮有完整細致的全面研究。

CCGA 互連工藝存在著焊接工藝難度較大、易出現(xiàn)焊點裂紋、虛焊、氣孔過多等問題，選取較優(yōu)的工藝參數(shù)組合有利于減少工藝殘余應力與形變量，因此有必要對CCGA 互連工藝開展仿真技術(shù)研究。本文重點關(guān)注銅帶纏繞型CCGA 的植柱工藝過程，利用ANSYS 有限元分析手段，模擬計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 器件的殘余應力與變形量。此外，制定正交試驗表進行仿真，從而減少實驗次數(shù)、提升仿真效率，最終得出CCGA 植柱工藝優(yōu)選參數(shù)組合，為實際工程的植柱工藝參數(shù)設(shè)定提供了參數(shù)指導和理論支撐。

2 試驗材料和方法

2.1 模型與材料

試驗陶瓷基板尺寸為35.00 mm×35.00 mm×1.60 mm，焊盤直徑為0.80 mm，焊盤間距為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，器件各部位的詳細材料參數(shù)如表1 所示。為了減少仿真計算量，在器件模型對稱的前提下，本文使用圖1 所示的1/4 銅帶纏繞型CCGA 模型進行計算。

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)熱模塊計算得到的溫度場分布結(jié)果導入到瞬態(tài)結(jié)構(gòu)模塊中計算得到CCGA 器件的應力和殘余應力分布情況。

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

表2 溫度曲線數(shù)據(jù)

器件經(jīng)過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，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)過植柱工藝后的應力云圖如圖3 所示，植柱過程中CCGA 器件的最大殘余應力為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)過植柱工藝后的變形云圖

圖3 器件經(jīng)過植柱工藝后的應力云圖

3 不同因素對CCGA 殘余應力的影響

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個參數(shù)對銅帶纏繞型CCGA 殘余應力的影響，其中焊柱尺寸有11 種（見表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”的形式對不同的工藝條件進行命名。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 工況下的應力變化。在研究回流曲線對殘余應力的影響時，重點考慮降溫速率這個因素對殘余應力的影響。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)化過程是：①用控制單一變量的方法，單獨研究某參數(shù)對CCGA 殘余應力的影響；②在3個參數(shù)組中分別選取3 個使得殘余應力最低的參數(shù)參與正交優(yōu)化設(shè)計，最終得到最優(yōu)工藝組合。表4 中數(shù)據(jù)展示了過程①的仿真計算結(jié)果?；诒? 中的數(shù)據(jù)，在每個變量因子中選取3 個最優(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 分別展示了殘余應力隨降溫速率和焊料厚度的變化曲線。當降溫速率在1～2 ℃/s 區(qū)間時，降溫速率越大，器件的殘余應力越??；當降溫速率超過2 ℃/s 時，降溫速率對器件殘余應力的影響不大，都維持在66～67 MPa 之間。

表4 各試驗條件的殘余應力匯總

圖4 殘余應力隨降溫速率的變化

正交實驗設(shè)計及結(jié)果如表5 所示，按L9(33)正交表設(shè)計本實驗，可以得到實驗工況之間的組合關(guān)系，并仿真計算出每種工況下的殘余應力。

表5 正交實驗設(shè)計及結(jié)果

圖5 殘余應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互連，成為高可靠封裝形式的首選，被廣泛應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，器件中心變形小，越靠近邊緣變形越大；模型的應力分布均勻且數(shù)值較小，最大殘余應力位于器件邊角銅帶與爬錫焊料的接觸點。

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

(3)經(jīng)過正交試驗，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。