BGA封装互连焊点温度及电流密度分布的模拟与验证

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1、学术论文BGA封装互连焊点温度及电流密度分布的模拟与验证SimulationandVerificationofTemperatureandCurrentDensityDistributionofBGAPackageSolderJoint华南理工大学机械与汽车工程学院薛明阳卫国强黄延禄姚健[摘要】芯片互连焊点承受的电流密度越来越大，给电子产品的服役可靠性带来了新的挑战。本文利用有限元软件对BGA封装互连焊点内温度及电流密度分布进行了模拟分析，结果表明：互连焊点的芯片端和基板端存在很大的温度差，在本模拟条件下，最大温度梯度可达到5．38×103K／cm；在焊点

2、的电流入口／出口处存在电流拥挤，其电流密度比平均电流密度大2—3个数量级。并和实际测量的焊点温度进行了比较，模拟分析与实际器件温度测量结果吻合较好。关键词：BGA数值模拟温度梯度电流密度【ABSTRACTlThecurrentdensityintheintercon-nectingsolderjointisincreasedsignificantly，whichbringsnewchallengestothereliabilityofelectronicproducts．FiniteelementSOftwareiSusedtosimulatethedis

3、tribu—tionoftemperatureandcurrentdensityinBGApackagesolderjoints，thenumericalsimulationresultsshowthatthereisagreattemperaturedifferencebetweenchipsideandsubstratesideofsolderjoints，themaximumtempera-turegradientreaches5．38x103K／cm，thecurrentcrowdingexistsattheentrance／exitofcurre

4、ntinsolderjoints，thecurrentdensityis2-3ordersofmagnitudehigherthantheaverageone．Meanwhile，theresultsofsimulationarealsocomparedwiththewell-designedexperiment，whichareingoodagreementwiththeactualexperimentalones．Keywords：BGApackageNumericalsimulationTemperaturegradientCurrentdensit

5、y随着电子信息产业的飞速发展，芯片制造技术不断得到更新，同时也对芯片封装技术提出了更高的要求。为满足电子产品微型化、多功能化的发展，芯片封装互连方式也由传统的通孑L组装技术(7rHT)向表面贴装技术(SMT)、球栅阵列(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)等更高效、更高集成度的封装形式发展，其中BGA封装以引线寄生电感电容小、封装密度高、信号处理速度快、成品率高等优点而备受青睐11-21。芯片集成度和印制电路板组装密度的不断提高给封装技术带来了新的挑战，芯片特征尺寸越来越小，功率却越来越大．使得芯片的服役温度不断升高。元器件的失效与其服役温度密切相关，有研究表

6、明，元器件的工作温度每升高10℃，其失效率就会增加一倍左右pJ。封装芯片不合理的温度分布，不仅会影响信号的传输特性，还会引起热应力，产生翘曲、裂纹甚至是失效和破坏。当互连焊点温度梯度达到一定的值(一般认为dT／dx>103K／cm)，将会引起焊点内部原子由高温端向低温端迁移，产生热迁移(Thermomigration，TM)现象，致使互连焊点的力学性能急剧下降，结构完整性也将受到破坏14-5]o另外芯片特征尺寸的不断减小使互连焊点的电流密度不断增大，当电流密度足够大时(一般认为j>104A／cm2)，原子会沿着电子流方向发生迁移，产生电迁移(Electro

7、migration，EM)现象I“。尤其是在高温、高电流时，将会严重降低焊点的可靠性，缩短元器件的使用寿命。因此，在当前电子产品的发展趋势下，研究BGA封装焊点的温度及电流密度分布是十分必要的【7】，它为研究互连焊点的失效形式及可靠性奠定了基础。本文利用有限元软件ANSYS对BGA封装互连焊点的温度及电流密度分布进行模拟分析，揭示了BGA封装焊点温度及电流密度分布规律，并通过实际测量的温度分布对模拟的结果进行了验证。1数值模拟1．1BGA物理模型实际的塑封BGA(PlasticBallGridArray，PBGA)封装芯片由多种不同性质的元器件构成。现模拟

8、的器件结构参数PCB尺寸30ramX30mmX2mm，芯片尺寸12