PBGA中环氧模塑封装材料的热力学应力分析

摘 要：本文采用有限元模拟的方法，对塑封焊球栅阵列PBGA的再回流焊接过程及其后的热循环进行了仿真，其中环氧模塑封装材料EMC采用了粘弹性和线弹性两种材料模式。仿真中主要对EMC再回流焊接过程产生的残余应力和热循环载荷下的热应力／应变进行了分析；也讨论了EMC材料模式对应力值的影响。结果表明：线弹性模式的EMC的应力值明显高于粘弹性模式的；在热循环载荷下EMC中应力水平并不高，但开裂应变却非常高，因此在EMC中很可能引发疲劳裂纹。

关键词：塑封焊球阵列封装(PBGA)；环氧模塑封装材料(EMC)；有限元仿真；热循环

中图分类号：TN305．94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070(2004)06-26-04

1 引言

电子封装对小型、高密度、高可靠性的要求，导致了塑封焊球阵列PBGA技术的迅速发展[1，2]。环氧模塑封装材料EMC由于它较好的性能价格比，已经成为PBGA封装中不可缺少的一部分。但是EMC的热疲劳失效是微电子器件失效的主要原因之一，这主要是由于电路的周期性通断和环境温度的起伏变化，封装器件将经受温度循环，在温度循环过程中，由于封装器件各材料间热膨胀系数的不同，在EMC内部将会引发裂纹并扩展，最终导致热疲劳失效。关于焊点的热疲劳失效已经有很多学者进行了研究[9]，但对EMC热疲劳失效的研究却很少，因此本文以讨论EMC为主。

由于电子器件朝着体积微小化、高互连密度方向发展，使得对实际的微电子器件进行热机械性能测试变得非常困难甚至不可能，因此有限元模拟已经成为电子器件热机械可靠性模拟分析的主要手段[3]。本文作为EMC热疲劳失效研究的前期工作，主要通过有限元仿真的方法模拟了PBGA的再回流焊接过程及其后的热循环，并对EMC再回流焊接过程产生的残余应力和热循环载荷下的热应力／应变进行了分析。又由于很多文献中为了模拟的简便，将粘弹性的EMC材料假定为线弹性的[4]，使得模拟结果与实际差异较大，因此本文对EMC采用了粘弹性和线弹性两种材料模式进行分析比较，结果表明线弹性材料模式夸大了组装过程和热循环过程中EMC的应力值，因此由此产生的可靠性分析结论也是极为不准确的。

2 PBCA的有限元仿真

2．1 几何尺寸及有限元网格划分

本文对一个全阵列PBGA封装器件进行模拟，结构如图1所示，硅芯片组装在BT基板上，周围由EMC封装起来，BT基板又通过63Sn／37Pb焊点与FR4基板连接起来。(出于简化的需要，该PBGA器件忽略了粘结剂和引线等)

该PBGA具有15×15的焊球阵列[5]：焊球直径是0．76mm，间距是1．5mm，芯片为10mm见方，EMC为24mm见方，BT基板为27×27，FR4基板为27×27，(单位为mm)。

研究中采用二维有限元模拟PBGA的热—机械可靠性问题。

考虑到该封装器件的对称性，仅取其中一半进行模拟分析。其有限元网格如图2所示：其中，B-C-D为EMC和硅芯片的交接线，E点为硅芯片、EMC和BT基板三者交接附近在EMC上的一点。

有限元分析中的边界条件：对称轴上的节点施加X方向的约束(u=o)，位于对称轴上的左下角节点施加Y方向的约束(u=v=0)。

2．2 模拟中热载荷

模拟中采取的热载荷主要包括从固化温度的冷却，再回流和三个热循环：从EMC的固化温度175℃以10％／min的速率冷却到室温25℃(1-2)；在室温下保持30min(2-3)；接下来是焊点的再回流过程：用lmin的时间便温度从25℃升到150℃，完成基板和器件的预热，然后在150℃,叵温3min，使助焊剂挥发，再用10s使温度从150％升到183℃，进一步清除焊剂。之后就是再回流，即用15s从183℃到220％，保持数秒后，再用15s，从220℃降到183℃。最后由183℃自然冷却到室温，用2min(3-4-5)；其后在室温下保持30min(5-6)；最后开始热循环加载：参照美国军标MIL-STD-883，温度循环范围是-55℃-+125℃，循环周期是30min／周，其中高低温驻留时间各10min，升降速率是36％／min(6-7)。其曲线如图3所示：

2.3 材料特性

模型中芯片采用弹性各向同性形式，BT基板和FR4基板采用正交各向异性形式，具体的材料参数见表1。

本文模拟时，EMC考虑两种材料模式：第一种采用与固化过程相关的粘弹性结构关系，用如下的积分形式表示:

是由L．J．Ernst，D．G．Yang等[6]建立的，其材料参数由D．G．Yang等测出。第二种采用弹性材料的模式：E=14161Mpa，V=0．226，CTE=16ppm／℃。

仿真中的焊点材料采用温度相关弹塑性及率相关蠕变共存的材料模式。其中焊点材料的弹性模量温度相关特性可表示为[7]：

在有限元软件中，焊点的结构关系通过用户子程序来实现。

3 结果分析

3.1 EMC中再回流过程引发的残余应力

再回流结束时EMC中应力σxx分布云纹如图4所示(考虑EMC为粘弹性模式)。

从图4可以看出，再回流结束后，EMC中应力呈不均匀分布。这些应力的产生主要是由于封装器件中各材料间热膨胀系数的不同，在再回流过程中温度的快速变化而引起的。从上图还可以发现，D点(芯片、EMC和BT基板的交接点，对应于图2中D点)的压应力值最大，因此最可能引发压缩失效。EMC的中上部的拉应力值仅次于D点，因此EMC的中上部可能是材料拉伸失效的潜在位置。

3．2 EMC材料模式对应力的影响

图5表示了整个加载过程中对EMC分别考虑粘弹性和线弹性两种材料模式时E点(对应于图2中正点)的应力演化曲线。

从图5可以看出，在整个加载过程中，线弹性模式的EMC其压应力值明显高于粘弹性模式的，这主要与EMC粘弹特性所表现出的蠕变／松弛特性是密切相关的。因此采用EMC线弹性材料模式计算出的结果将会大大高估PBGA器件EMC材料失效的几率，而由此产生的可靠性分析结论也是极为不准确的。

3．3 热循环下EMC中应力／应变

图6显示了热循环中在低温-55℃和高温125℃(对应于图3中a和b时刻)时EMC中沿路径A-B-C-D(对应于图2中A-B-C-D)的应力曲线。

从图6可以看出，热循环当中低温时EMC中应力值远高于高温时，而且A和D点分别为最大值拉应力和最大压应力值处，因此A点和D点处是最可能引发裂纹并导致失效的地方,尤其在低温时。

图7(a)(b)分别表示了在第三个热循环末整个封装器件的应力和开裂应变分布。

从图7(a)中可以看出，在热循环过程中EMC相对于其它材料其应力绝对值并不是非常高，但是图7(b)却表示EMC中的开裂应变最高。由此可知热循环过程中在EMC内部是很容易引发疲劳失效的，因此EMC的热疲劳失效是微电子器件失效的主要原因之一。

4 结论

由于PBGA封装中各材料间热膨胀系数的不同，因此在再回流过程和其后的使用过程中，EMC内部就会产生应力，应力达到一定程度就会引发裂纹并最后导致失效。本文作为EMC热循环失效的前期研究工作，通过有限元仿真的方法模拟了PBGA封装在再回流过程和随后的热循环过程中的热应力／应变，得出了：在热循环载荷下EMC中应力水平并不高，但却很可能引热疲劳失效；也得出了可能的失效位置；并且对EMC采用了粘弹性和线弹性两种材料模式，分析了线弹性模式对可靠性分析的不可靠性。