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1、第28卷第10期焊接学报Vol.28No.102007年10月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONOctober2007塑封球栅阵列焊点热疲劳寿命预测有限元方法佟川,曾声奎,陈云霞(北京航空航天大学可靠性工程研究所,北京100083)摘要:选取典型的塑封球栅阵列封装器件,将其建模为由封装外壳、硅芯片和基板组成的三层结构,采用粘塑性材料模式描述锡铅钎料的力学本构关系,建立器件的三维有限元模型,通过有限元仿真得到焊点的应力应变分布云图、应力应变回线及关键焊
2、点的应变范围,最后根据基于应变的Engelmaier疲劳模型预测塑封球栅阵列焊点的寿命。结果表明,在热循环条件下,塑封球栅阵列封装器件的关键焊点的位置位于器件芯片边缘的正下方,并不位于最边缘的焊点处,为改进塑封球栅阵列焊点的热疲劳可靠性提供了依据。关键词:塑封球栅阵列;焊点;热疲劳;有限元中图分类号:TG405文献标识码:A文章编号:0253-360X(2007)10-089-04佟川0序言PBGA焊点在温度循环应力下的应力应变分布,并得到关键焊点内部的最大等效应变范围,最后通过现代电子信息产品
3、组装密度越来越高,微电子低周热疲劳寿命计算公式预测焊点的热疲劳寿命。器件中的焊点越来越小,而其所承载的力学、电学和热力学负荷则越来越重,焊点可靠性问题日益突出。1有限元模型建立从1989年在美国JPL’SMagenan宇宙飞船的地面试验时发现了表面组装器件焊点的失效以来,历届国1.1结构建模际电子元件会议上都把SMT及其焊点可靠性问题PBGA的结构如图1所示,其中BT基板和PCB作为重要内容进行专题讨论[1],各种封装和材料焊材料的线膨胀系数差异不大,而BT基板和Si芯片点的可靠性研究得到普遍重
4、视。的线膨胀系数差异较大。文献[2,3]将PBGA封装塑封球栅阵(plasticballgridarray,简称PBGA)简化成单一外壳材料所构成的长方体进行建模,得以其性能和价格优势已经成为封装技术的主流。它到的结论是PBGA最外侧焊点所承受的应力最严[4]采用将焊点隐藏在封装下表面的结构,能够满足电重,与试验结果差距较大。为了更准确地反映路小型化和高I/O引线数量的要求。但PBGA封装PBGA封装材料的线膨胀系数差异对焊点热应力的也存在着问题,如焊点检测困难。PBGA器件和印影响,文中将PB
5、GA封装划分为由塑封外壳、Si芯片制电路板(printedcircuitborad,简称PCB)材料的线和BT基板组成的三层结构进行建模。膨胀系数(coefficientofthermalexpansion,简称CTE)差别较大,容易使焊点内部产生热应力,并在应变不协调处产生应力集中,引起焊点的热疲劳失效。因此了解焊点内部的应力应变分布是提高焊点可靠性的关键。文中针对典型PBGA器件,将PBGA器件的封装划分为由塑封外壳、Si芯片和BT基板所组成的三层结构,使用成熟的商业有限元分析工具图1PBG
6、A结构示意图ANSYS建立其三维有限元模型,对焊点采用粘塑性Fig11SketchmapofPBGAstructure本构关系,其它封装材料采用线弹性本构关系,计算收稿日期:2006-12-18有限元分析所选的对象是规格为9mm×9mm90焊接学报第28卷×1.3mm,焊球直径为<0.5mm,间距为0.8mm的SB=1-3,(3)11×11阵列的PBGA封装器件,其芯片尺寸为2mmSn×2mm×0.5mm,焊点高0.4mm。由于结构的对称31dεpQS=S^exp,(4)AdtRT性,为简化计算
7、,取1/4建模,并在相应表面施加对式中:εp为粘性系数;t为时间;A为指数因子;m为称边界条件。应变敏感指数;ξ为应力乘子;σ为应力;S为形变1.2材料属性及网格划分阻抗;Q为粘塑性形变激活能;R为波尔兹曼常数,目前常用的钎料为63Sn37Pb共晶合金,这种钎-23其值为1.381×10J/K;T为热力学温度;h0为硬料的熔点较低(约为183℃,即456K),在室温下已3化/软化常数;B和S为中间量;a为与硬化/软化达到熔点的0.65倍,在这样相对高的温度下,SnPb相关的应变率敏感指数;S^为
8、系数;n为应变阻抗饱钎料受力会有明显的蠕变和粘塑性特征。一般采用和值的应变率灵敏度。此外,在求解方程时还需要蠕变和塑性统一的Anand模型来描述钎料的力学本形变阻抗S的初始值S0。对于63Sn37Pb钎料,求解构行为。它包括一个流动方程和三个用来表示材料[5]应变硬化和应变软化的演化方程。具体描述形式为Anand模型所需的参数如表1所示。此外,在定流动方程义Anand参数之前要首先定义钎料的线性参数,见dεm表2。其它封装材料均采用线弹性材料模式描述其pξσ-Q=Asinhexp,(1)[6]d
