王劍峰， 袁淵， 朱媛， 張振越

（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

扇出型BGA 封裝通過模塑擴(kuò)大尺寸， 將I/O扇出到超過封裝體中IC 的范圍， 同時提供更多的連接到板的I/O， 扇出型封裝對很多應(yīng)用非常重要， 特別是對用于計算的處理器芯片的封裝[1-2]。與傳統(tǒng)的封裝技術(shù)相比， 扇出型BGA 封裝有著更好的電性能、 散熱性能和更小的體積。 對BGA 的結(jié)構(gòu)而言， 錫球合金一般為錫鉛， 在助焊劑的作用下， 錫球融化、 塌陷并與焊盤潤濕。 BGA 焊球不僅對上、 下器件起著物理連接作用， 還具備電氣連接的作用， 焊球的可靠性對產(chǎn)品服役壽命有著決定性的影響[3-5]。

電子產(chǎn)品在實(shí)際的使用過程中， 受到環(huán)境或工作溫度變化的影響， 由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同， 導(dǎo)致焊球承受器件的翹曲變形帶來的熱應(yīng)力。焊球在長期循環(huán)載荷的作用下可能產(chǎn)生疲勞裂紋，這些裂紋會在使用過程中不斷地擴(kuò)展直至發(fā)生斷裂或者電性能失效[4-7]。

目前， 針對焊球疲勞研究可以通過有限元方法對封裝系統(tǒng)（包括塑封材料、 芯片、 焊球和PCB板） 進(jìn)行循環(huán)加載分析[8-12]。 由于封裝系統(tǒng)中器件的尺寸、 芯片種類、 焊球數(shù)目尺寸和各種材料的性能等因素均會對焊球疲勞壽命產(chǎn)生影響， 仿真只是對器件進(jìn)行簡化模型模擬， 因此建模仿真并不能完全地反映焊球疲勞的真實(shí)情況， 但通過仿真給出的趨勢性結(jié)果對實(shí)際的封裝設(shè)計仍具有非常重要的指導(dǎo)意義。

1 焊球疲勞仿真原理及工藝參數(shù)

1.1 仿真原理簡介

本文通過對某款扇出型BGA 器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型建立， 重點(diǎn)評估板級溫度循環(huán)試驗(yàn)中， 扇出型BGA 器件在不同的芯片布局和不同的塑封料厚度下器件焊球的互聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠性， 預(yù)測焊球溫循疲勞壽命。 該仿真方法對實(shí)際的扇出型BGA 器件的材料選擇以及封裝設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。 本文也將根據(jù)仿真結(jié)果來確定器件的封裝設(shè)計， 并完成相應(yīng)的溫度循環(huán)試驗(yàn)。

對于CBGA/CCGA 類型的表貼器件， 板級組裝后， 由于陶瓷電路與PCB 材料的CTE 失配， 在溫循過程中焊球會因周期性的應(yīng)力應(yīng)變而產(chǎn)生疲勞失效。 焊球的溫循疲勞屬于低周疲勞（＜105 次）， 目前對于焊球溫循疲勞壽命的預(yù)測一般采用理論方程對疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測： 即首先通過計算或者仿真手段獲得焊球的每個溫循周期內(nèi)的損傷參數(shù)值， 再將該損傷參數(shù)值帶入相應(yīng)的壽命預(yù)測方程中， 計算得到焊球的溫循疲勞壽命。

目前， 焊球疲勞壽命預(yù)測可以基于經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行研究。 Coffin-Manson 模型為主流的焊球疲勞壽命預(yù)測模型之一， 該模型忽略了溫度和時間對焊球壽命的影響。 后來Engelmaier 對該模型進(jìn)行修正改進(jìn)， 完善溫度和溫度循環(huán)的周期因素的影響。 本文基于改進(jìn)的Coffin-Manson 方程進(jìn)行預(yù)測， 焊球的疲勞壽命與材料熱循環(huán)過程中的非彈性應(yīng)變范圍相關(guān)聯(lián)， 其表達(dá)式為：

式（1） 中： Nf——熱循環(huán)疲勞失效的次數(shù)；

Δεp——非彈性剪切應(yīng)變范圍， 它的值是等效塑性應(yīng)變的倍；

εf——疲勞遲延系數(shù)， 以PbSn 共熔焊料為例，εf=0.325；

c——疲勞遲滯指數(shù)。

c 的表達(dá)式為：

式 （2） 中： Tsj——溫度循環(huán)的中間溫度， 單位為℃；

tH——高溫保持時間， 單位為min。

通過計算溫循條件c 的值， 并根據(jù)不同條件下的等效塑性應(yīng)變范圍， 代入公式（1） - （2）， 以此得到熱疲勞壽命次數(shù)。

1.2 仿真模型及參數(shù)

對于CBGA 器件的板級安裝模型， 需包含封裝外殼、 焊球和PCB 等主要部分， 如圖1 所示。 仿真中， 為了減小分析規(guī)模， 對模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?。在溫度循環(huán)試驗(yàn)中， 器件通過焊球焊接到PCB 板上。 全局模型和焊球互聯(lián)結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示， 采用Sn63Pb37 焊球。 器件處于PCB 中心位置。

圖1 某款扇出型BGA 器件仿真結(jié)構(gòu)模型

圖2 某款扇出型BGA 器件布局

為了保證仿真精度， 對扇出型BGA 器件的模型與凸點(diǎn)模型進(jìn)行了詳細(xì)的建立， 材料參數(shù)與邊界條件如表1 所示。

表1 焊料的Anand 模型參數(shù)

焊料（37Pb/63Sn） 采用Anand 粘塑性本構(gòu)模型來描述焊料的這一行為， 具體的模型參數(shù)如表1所示， 其他部分材料只考慮材料的線彈性特性如表2 所示， 模型尺寸參數(shù)如表3 所示。

表2 模型材料參數(shù)

表3 模型尺寸參數(shù)

仿真按照要求進(jìn)行， 溫度范圍為-65~150 ℃，高低溫轉(zhuǎn)換時間為1 min， 溫度保持時間為10 min，溫度曲線如圖3 所示。 溫度首先從室溫25 ℃上升至150 ℃， 之后按照條件進(jìn)行溫度循環(huán)。 進(jìn)行2 個周期的溫度循環(huán)仿真。

圖3 溫度加載曲線

2 仿真結(jié)果

2.1 不同的芯片布局對焊球疲勞壽命的影響

該款扇出型BGA 器件為通用數(shù)字收發(fā)微系統(tǒng)產(chǎn)品， 由AD 芯片、 DA 芯片和FPGA 芯片組成3顆芯片， 通過晶圓級扇出型封裝將3 顆芯片重構(gòu)形成新的SIP 微系統(tǒng)。 在扇出型封裝設(shè)計中， 為考慮器件的電性能和接口問題， 芯片的布局可能存在多樣化， 3 種不同芯片的布局下（塑封厚度統(tǒng)一為700 μm） 的焊球互聯(lián)最大等效塑性應(yīng)變分布云圖如圖4 所示， 其為實(shí)際扇出型封裝器件的布局方案提供了仿真參考。 第一種布局設(shè)計原則為3 顆芯片考慮為一個整體， 整體呈居中且中心對稱； 第二種布局設(shè)計原則為斜角一字型組合， 整體沿對角線中心對稱分布； 第三種布局設(shè)計原則為呈L 型組合， 整體沿對角線鏡面對稱分布。

圖4 不同芯片布局下的焊球塑性應(yīng)變分布云圖

從仿真結(jié)果看， 不同布局下塑封料焊球互聯(lián)的最大等效塑性應(yīng)變均出現(xiàn)在高溫保持階段。 在布局A 條件下， 如圖4a 所示， 與常規(guī)單芯片扇出產(chǎn)品危險焊球出現(xiàn)現(xiàn)象相似， 塑封料的危險焊球位置出現(xiàn)在塑封料邊角處。 在布局B 條件下， 如圖4b 所示， 塑封料的危險焊球位置出現(xiàn)在遠(yuǎn)離DA 芯片和AD 芯片的塑封料邊角處。 在布局C 條件下， 如圖4c 所示， 與常規(guī)單芯片扇出產(chǎn)品危險焊球出現(xiàn)現(xiàn)象不同， 塑封料的危險焊球位置出現(xiàn)在靠近大尺寸芯片邊角， 但是同樣也接近塑封料邊角處。 該結(jié)果表明， 不同布局條件下的扇出型器件焊球危險位置最容易出現(xiàn)在邊角處， 由于實(shí)際扇出型封裝器件的翹曲通常為“笑臉” 形狀， 器件進(jìn)行板級組裝后邊角處容易出現(xiàn)虛焊， 因此， 對扇出型封裝器件的翹曲控制顯得尤為重要。

2.2 不同的塑封厚度對焊球疲勞壽命的影響

在實(shí)際的扇出型封裝工藝中， 器件的塑封厚度也需要根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)定， 因此有必要研究不同塑封厚度下對焊球的疲勞壽命的影響。 3 種布局條件下不同塑封厚度的等效塑性應(yīng)變分布云圖如圖5所示， 結(jié)果表明， 調(diào)整塑封厚度并不會改變危險焊球出現(xiàn)的位置。 對應(yīng)不同布局和不同厚度塑封料的等效塑性應(yīng)變范圍如表4 所示， 代入公式（1） -（2） 中得到的熱疲勞壽命如表5 所示。

表4 等效塑性應(yīng)變范圍

表5 熱疲勞壽命

圖5 不同條件下的焊球塑性應(yīng)變分布云圖

通過處理和分析得到不同的塑封厚度對仿真結(jié)果的影響， 如圖6 所示。 從圖6 中可以看出， 不同的芯片布局和塑封厚度對扇出型BGA 封裝器件的焊球疲勞壽命都有影響。 根據(jù)圖6b 結(jié)果可知， 在3 種布局條件下， 布局A 方案下的焊球疲勞壽命要明顯地優(yōu)于布局B 和C 方案， 說明在多芯片的扇出型封裝工藝中， 應(yīng)盡可能地將多顆芯片整體居中并且呈中心對稱布局。 此外， 塑封體厚度在較薄和較厚的條件下焊球疲勞壽命相對較長， 從仿真結(jié)果看， 器件塑封厚度為500 μm 時焊球疲勞壽命最優(yōu)。 因此， 對于該款扇出型BGA 器件工藝條件優(yōu)選布局A 方案， 塑封厚度為500 μm。

圖6 不同的塑封厚度對仿真結(jié)果的影響

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果， 采用布局A， 塑封厚度為500 μm 的工藝對樣品進(jìn)行扇出型封裝。 封裝完成后的器件按照GJB 7400-N1 級產(chǎn)品考核要求進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)， 溫度范圍為-65~150 ℃， 高低溫轉(zhuǎn)換時間為1 min， 溫度保持時間為10 min， 共進(jìn)行500 次循環(huán)。 溫循試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行外觀檢驗(yàn)， 器件表面無裂紋， 無翹曲， 器件正常。 對該器件進(jìn)行X-ray 檢驗(yàn)， 特別是針對器件邊角處， 檢查發(fā)現(xiàn)焊球無脫落等失效情況， 焊球檢驗(yàn)正常。 為了進(jìn)一步地檢查樣品的焊接質(zhì)量， 對樣品進(jìn)行了剖面分析， 焊球無裂紋， 焊接良好， 如圖7-8 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 對該器件的封裝設(shè)計具有較高的置信度。

圖7 溫循后器件四角處焊球檢查

圖8 溫循后焊球剖面圖

4 結(jié)束語

本文采用有限元仿真對扇出型BGA 封裝器件的焊球疲勞壽命進(jìn)行研究， 重點(diǎn)分析了該器件在不同的芯片布局和塑封料厚度工藝條件下器件焊球的互聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠性； 并預(yù)測焊球溫循疲勞壽命， 為多芯片扇出型BGA 器件封裝提供設(shè)計思路。 通過仿真分析計算， 得到扇出型封裝器件危險焊球位置容易出現(xiàn)在邊角處， 受布局因素的影響不大。 此外，扇出型封裝器件中芯片布局應(yīng)盡可能地整體居中并且呈中心對稱布局， 在工藝允許條件下， 可以優(yōu)選降低樹脂材料的厚度， 以此來延長扇出型BGA 封裝器件焊球的疲勞壽命。