BGA封裝的焊點熱疲勞分析

1前言現代電子產品正在向著小型化和功能增強的方向發展，這種趨勢導致了球焊陣列封裝(BGA)產品的產生，相對于傳統的引線框架形式，BGA封裝不僅大大提高了PCB每平方毫米的I/O量,它們還具有明顯優良的電學性能。但是可靠性問題是BGA產品一直所關心的問題，焊點在低熱疲勞循環下的失效機理也正在被廣泛的研究著。通過建立有限元模型可以減少大量的試驗工作和產品的開發周期，具有非常大的意義。

針對焊點的熱疲勞分析，學者們已經提出了三種模型，

1）分析模型[1]，

2）3-D片段模型[2]，

3）采用等效梁的宏觀/微觀模型。

其中宏觀/微觀模型因為計算效率而被認為是考慮塑性變形和目標焊點的一種合適方法。

在本文的工作中，ANSYS的建模方法在以下幾個方面有了提高，

1）建立了三維等尺寸的球焊陣列封裝有限元模型

2）子模型方法用來傳遞載荷到局部模型，計算出應力和應變的分布。2焊點的壽命預測焊點壽命的理論是最先由Darveaux[5]提出，Darveaux模型提出了焊點裂紋生長和焊點的熱疲勞壽命之間的關系。裂紋起始和裂紋生長可分別用方程（1）和（2）表示： K1, K2, K3 and K4 是常數，ΔWave是焊點每個熱循環所積累的平均體積塑性功。它可由方程（3），(4) 導出：其中，ΔWi是體積為的第Vi個單元的塑性功密度，“n”是單元的總個數。在ANSYS的POST1后處理器中，可通過單元表格(Element Table)的操作得到塑性功密度，命令行入下：//ETABLE, 1, SEND, PLASTIC//ETABLE, 2, VOLU假設裂紋的生長速度是恒定的，那么在破裂之前總的循環數(NT)可由下列公式得到：圖片:3.png在此公式中，“a”是焊接點和銅焊盤接觸面的直徑。2.1 建立模型256-PBGA-2727模型的建立參考于三星電子本社的產品。整體的尺寸為27mm x 27mm x 2.33mm. 圖1為封裝的側面示意，FR-4 PCB電路板的尺寸是15.0mm x 15.0 mm x 1.57mm, BT基板的尺寸是13.5mm x 13.5mm x 0.56mm, 硅片的尺寸是2.54mm x 2.54mm x 0.5mm,塑封膠(EMC)的尺寸為13mm x 13mm x 1.17mm, 錫球在回流以后的高度為0.6mm， 直徑為0.76mm，錫球間距1.27mm，銅焊盤大小為0.65mm。表1列出了材料的主要參數，熱膨脹系數，楊氏模量和泊松比。由于錫球在室溫時高于自身熔點的一半，因此蠕變行為在變形中占了主導地位。在ANSYS中采用阿蘭德模型（Anand’s constitutive model），模型分為一個流體方程和三個進化方程： 對于成分為62Sn36Pb2Ag的錫球，阿蘭德方程的參數列在表2中。

2.1.1 全局模型在模型的網格劃分中采用了10節點的四面體單元（Solid45）和8節點的四面體模型（Visco107）。由于結構的對稱性，只選擇了封裝的1/8部分來進行計算。劃分如圖2所示。雖然此模型可以預測變形，但是焊點的網格比較稀疏，在預測應力/應變時不夠精確，整個模型的單元數為125，000。

2.1.2 子模型 應力/應變的分布是通過計算目標焊接點子模型得到的，子模型的邊界條件是通過全局模型的節點切割得到。在子模型中包括了目標的焊接點和一部分BT基板和FR-4電路板。在靠近基板和電路板兩邊的焊點附近，采用細化的結構，其中包括了阻焊膜(Solder Mask)和焊盤(Cu Pattern)的結構，厚度分別是0.02mm和0.15mm。為了提高結果的精度，網格劃分比較細微，共21099個單元。溫度載荷開始于室溫25°C的熱循環過程被加載。循環的規范是從-40°C(最低) to 125°C(最高)，一個完整的循環時間是一個小時，其中上升時間，下降時間和恒溫時間各是15分鐘。

2.1.3 焊接點疲勞壽命的計算模擬出的每個循環積累的塑性能量密度(ΔW)是失效指標。焊點的熱疲勞數可按照下式計算出來

2.2 結果分析

2.2.1 整體變形和局部的應力應變分布對建立的模型進行了相關的研究，反映了在溫度變化的過程中各個焊點的變形情況。其中D10 位置的焊點變形**，變形最小的焊點則出現在A7 的位置。模擬的結果和一般事實相符合，越向外的焊點可靠性越差。同時我們可以看出大部分焊點的運動趨勢是向內的，而一些內部的焊點運動趨勢則是向外的，這種趨勢是非線性材料之間的熱膨脹系數不同導致的。展示了子模型中D10位置的焊點的等效塑性應力。其中**的塑性應力出現在頂部偏左的位置。由于焊點和底層的銅焊盤之間容易形成金屬間化合物（IMC）, 在溫度循環中沿著這個界面很容易產生失效。同時在底部兩者的界面上也出現了較大的應力，這里也是失效容易出現的位置。除了D10的位置以外，也取了其他四個焊點做比較，它們的壽命如表3所示。正如預期的那樣，D10位置的焊點具有最短的熱疲勞壽命3130次，而A7位置則具有最長的壽命6242次。

2.2.2 焊球形狀對疲勞壽命的影響 圖6是通過Surface Evolver生成的焊球模型，左右模型的焊點高度和焊球體積各不相同。在只考慮子模型的變形條件下，熱疲勞壽命分別是7800，26000次。

3 結論 為了研究焊點的可靠性，本文建立了一個三維的有限元模型，其中包括整體模型，子模型，壽命計算公式。通過本文所做的工作，我們得到了下列一些結論：

(1) 焊點壽命和位置有很大關系，位置靠外的焊點疲勞壽命會短一些；

(2) 疲勞壽命與焊點形狀體積，高度，焊盤直徑等參數也有很大關系，一般說來：·焊點體積越大，疲勞壽命越短·焊點直接越大，疲勞壽命越短·焊點高度越大，疲勞壽命越短

(3) 利用子模型技術，可以很好的預測焊點的疲勞壽命；

(4) 在建立模型的工作中焊球材料的非線性必須加以考慮。