【毕业学位论文】BGA 无铅焊点热可靠性有限元仿真研究

摘 要当前关于电子行业封装技术发展的很迅速，小巧、轻便又薄是该技术的主要发展方向，焊点自身的可靠性高低也一直是该科研领域的热点问题。有铅焊料对人类身体及环境的危害,加上在绿色环保的要求情况下,故电子封装应运中的无铅焊料逐渐代替了有铅焊料。焊点的大小对其使用性能也具有密切联系。该论文通过分析无铅焊点不同直径、高度和不同焊料成分来研究焊点的热可靠性。而目前对其无铅焊点疲劳断裂的科研还不足够，因此球栅阵列无铅焊点关于其可靠性的高低具有重大的科研价值。对于无铅焊点本文主要通过有限元知识进行热模拟，进而来对其可靠性情况合理分析。用传热学常用工具考虑焊点直径的影响，保持焊点高度不变，边界条件和热加载也不变，改变焊点直径进行求解，在对危险无铅焊点的应变对比和分析，预测不同直径危险焊点的热疲劳寿命。在考虑焊点高度的影响，保持焊点直径不变，边界条件和热加载也不变，改变焊点高度进行求解，采用析和预测热循环条件下不同高度危险焊点的疲劳寿命，从而得出可靠性较高的焊点。力应变及热疲劳寿命。故在电子封装工程应用中对而来保证其可靠性。过该论文的研究有助于更加深入了解无铅焊点在热循环条件下的失效机制，对于键词:电子封装；可靠性；有限元；热循环研究类型：应用研究of is is of of of a in of to in so in of of In is by of C of is so on of to of is in of of In of a of is of to at a of of in of be a to is of it is to of it a 1绪论.研究背景.定义及功能.封装分级和发展.封装可靠性问题.课题来源、目的与研究内容.的.本章小结.论基础.有限元的简介.热应力相关理论.铅焊温度场.结构模型.材料属性以及有限元模型.工程环境载荷.无铅焊点热循环温度分布及分析.本章小结.铅焊热分析.不同直径焊点的热分析.不同高度焊点的热分析.本章小结.同焊料热分析.不同焊料的可靠性.本章小结.结与展望.总结.展望.究背景随着时代的发展和科技的进步，半导体工业也在二十一世纪快速发展，而且它在信息技术的市场的驱使下，也成为本世纪非常重要的工业。它对我们的生活、工作的便利有着无可取代的作用，很大程度的提高了人们的学习、工作效率。它主要涵盖三种组成部分：大工序中的最后工序之封装测试对半导体工业电子器件的质量和同行业产品的市场影响力有着举足轻重的作用。与此同时，作为连接电子元器件系统及子封装技术不仅对集成电路光、电、热及机械性能有着不可忽视的影响，而且对电子封装系统的小型化、成本好、及可靠性的发展有一定程度的决定作用。近些年来，由于满足功率、微型化的发展需要，进而对且集成电路中的封装成本占总成本的份额的不断提高，从而对展更加迅猛，尤其是倒装芯片封装应用使上子、材料、热学等很多学科知识，需要不同学科领域的科技工作者互相团结、共同努力，才能使该技术向着更加深入领域发展。电子封装不仅对国家经济的发展有着重大影响，而且对人们家庭生活也紧密相连，故它已成为国际上单独的一个重要行业1。等对微电子封装含义做出了以下解释：选取具有特定性能的被放置到与之相匹配的一个外壳容器中，这对此同时，出端也离不开封装，而且而组成一种齐全的物体，然后采用各种挑选等技术和许多科学实验方法，保证该物体的良好使用情况，并且具有正常、稳定功能。一般情况下电子行业的封装具备五种特定功能：电源分配、散热通道、信号分配及环境保护和机械支撑的功能3。(1)电源分配 第一，为了让电路及芯片能通过电流，封装体要能接上电源。第二，由于电子工业封装的不相同组成位置对应需求的电源有些不一样，为了缩减电源相关器件的不必要消耗及不相同地方的电源合理分配，尤其在具有多层布线上的基板时显得要更加重武汉纺织大学硕士学位论文2视。与此同时接地线的分配问题也要考虑进去。(2)散热通道 怎么样将积累的热量释放出去的问题是各类是因为各种电子元器件要经历长时的工作。为了能够让电子元器件到在一定温度的范围内能正常工作，各种电子封装要考虑采用合理的散热措施来降温，比如功率消耗较大的封装体可采用水冷、风冷及增加热沉来控制整体温度。(3)信号分配 在布置线路尽量使封装体I/目的是尽量减小电信号的延迟。封装体有些信号间的会出现串扰情况比如高频率之间的电信号传递，应通过正确布线来进行合理的信号分配。(4)环境保护 制造半导体时其表面质量有着重要作用，这是因为半导体电子器件和半导体集成电路很多相关参数，比如低频噪声、电流放大系数、反向电流、击穿电压和电子器件的可靠性、稳定性都与其有着密切联系。为了减小半导体表面质量问题，在半导体电子元器件的生产过程中很多加工工艺也都将其问题考虑进去的。半导体芯片制造出来，对于没有进行封装工艺之前的半导体芯片，这时的芯片是不安全的，这是由于周围环境对其构成一定的威胁。芯片在使用过程中，更需将半导体芯片加强保护，因为工作时周围环境更为恶劣。故半导体芯片所需环境保护性能更加离不开电子封装，其作用不可忽视。(5)机械支撑 半导体芯片及其相关部件的稳定机械支撑需要电子封装为其提供，而且能在各种条件变化和工作环境时与它们匹配。装分级和发展电子封装分级方法可以按照基板、封装材料、封装方式等进行分类，这是由于伴随现代电子封装工程的发展很迅猛，分类方法多、封装结构也多样化而形成的。如果按照制造和组装上的前后顺序，电子封装工程一般情况下可以被划分形成以下几个级别4，：(1)零级的封装通常即为半导体芯片自身核心的互连，也就是门电路之间的互连；(2)芯片和衬底相连、密封的工艺，称为第一级封装；(3)第二级的封装就是对印刷电路板和器件之间的连接；(4)第三级的封装就是5)最后级就是母板互相之间的连接。：第一发展阶段：是在1980之前，含各种封装，其中塑料双列直插封装凭借其较低的价格，较强的功能而且能够批量的生产，成为当时主要的电子封装产品。第二发展阶段：是在1980年之后，时候表面安装类型的封装成为电子封装工程领域的热点运用技术，并且很快迅速的发展。与此同时，出现了与之相应的各种表面安装类型的封装技术，比如塑料类型四边引线扁平封装(无引线类型四边扁平封装等各种表面封装类型技术的出现，而且进入加速发展阶段。由于密度、价格低而且适合表面类型安装的特性，其在当时快速的发展作为主流电子封装产品。第三发展阶段：该阶段是在1990年之后。二十世纪九十年代之初期，达到超大规模的发展阶段，产生了焊球阵列封装（并且迅速作为主流封装形式。随后多种体积更加小的芯片尺寸级封装类型又被开发出来了。与此同时，芯片组件）也迅速壮大起来了，被称作为电子封装工程领域的一次革命。在相同时期，三维封装、系统级封装行业及芯片尺寸封装（快速发展，以此来满足小尺寸和多功能封装类型的需要。几个发展阶段对应代表实物参见下面几个图。球珊阵列结构封装体，由二十世纪九十年代初期形成的电子封装技术。在央处理器和性能较高的方形扁平封装、珊阵列结构封装体这项技术应用领域广泛，：（1）保持同样的输出端数量和芯片面积的时候，焊点之间搭桥等电路故障很少，在一定程度上提高焊点的可靠性；（2）输入输出端的获取可凭借大程度提高了半导体3）所占用为封装器件体积薄、自身尺寸也不大；（4）成的相应寄生参数也不大。相应寄生电感也不大，封装器件可以在噪声不大情况下工作以及获取较高的工作频率。（5）对贴片胶安装精度要求相对不高，具备自动对准效应的功能；（6）球珊阵列封装器件在电子封装领域应用非常广泛，尤其在装芯片封装表现的更加明显，通过回流焊接方法来进行安装，极大的提高了工作效率。（7）是由于焊料的凸点的存在便于工作时热量的释放；1绪论5料球栅阵列封装体），里需要指出最常用到的外盘、贴片胶、塑封体、焊球及于常用的一些料为有铅焊623随着电子封装行业的高速发展，现在已有无铅焊料被一些制造商家在而逐渐代替有铅焊料。该类型封装优良特性是封装体与焊料的互连不必在用其它的焊球，提高焊料的利用率。模塑料具有降低封装器件的热应变能力，因此使用塑封体注塑成形法来封装内部芯片，通常将焊料以阵列形式与基板上部相连接。如通常焊点共面性没有很高的要求；并且和低了热应变；电性能很强，对封装体的组装非常方便。另外量轻便等优点,其在电子封装领域的应用相当广泛。靠性概述生产的物品能具备在额定的要求及设定时间段内的，实现指定性能的能力是其可靠性的本质。如今科学技术在不断进步，半导体器件的发展历程也在不断变化，先后由分立、集成，在由小规模器件集成到超大规模集成（不断发展。与此同时可靠性也面临亟待解决问题，如由于电子器件参数尺寸逐步向微型化发展，大量的电子元器件累集放置平方米电子元器件数目不间断变多。另外电子封装在国家人民很多单位领域都有应用，可见电子封装可靠性面临的困难非常严重。可靠性在如今电子封装产品中加工技术的高低直接与其在该行业领域的地位挂钩。世界上很多国家都对电子封装可靠性问题非常重视，都在关注通过怎么样的技术方法来提高产品的可靠性。这里想到了美国于1957年发射一颗先锋号卫星，该价值昂贵卫星的坠毁事件，也充分说明这一点，主要原因就是卫星里面的一个便宜电子元器件可靠性低至其失效8。如今电子封装行业在快速发展，人们对电子封装产品使用方便性要求也随之提高，小巧携带方面电子产品的研发更加受到重视，该领域产品尺寸也逐渐向微型化过度，故电子产品焊点的参数尺寸也逐渐向更加小型化发展9。部分特殊的电子元器件比如圆晶片级封装（子器件的焊点尺寸已发展达到微米级10系统级别封装体、球珊阵列结构封装体和关领域的空间研究人员作出了推断，在二十一世纪二十年代之前，电子封装产品快速的发展趋势仍然会服从摩尔定律 ，遵从每一年半翻一倍的增长进度12预示着微电子焊点参数尺寸能够达到几微米甚至更加微小化级别。与此同时，电子产品尺寸变得更加微小，然而微电子焊点所面临的问题更加凸显，比如其承载的机械力学、电学以及受热力学载荷却逐步变重。焊点失效有很多种类，通常有空洞、虚焊、桥连、短路等几种情况，而机械影响的失效、受热失效及电化学失效是其主要原因14。致焊点产生明显的应力应变，最终使封装体失效，这通常是由于不同封装体材质的热膨胀系数不匹配有主要关系。研究发现，对于电子产品的生产，很多焊点失效都与电子元器件受热有主要影响因素，当然这里还要保证焊接工艺和设备正常的条件下来分析。综上所述，电子封装焊点的热循环条件下可靠性已被很多科技工作人员关注和研究。靠性研究方法分析焊点的可靠性方法目前通常有以下三种：(1)实验法通常微电子焊点失效形式有很多，比如虚焊、短路、桥连以及空洞等多种表现形式，大都可以使用金相切片，红外分析，染色分析，殊显微镜等途径进行检测。5等人提出对共有1295个焊点的球珊阵列结构封装体进行失效研究，通过加速温度循环试验法分析，在封装体上装贴具有不同有铅焊料现含铅量越低的焊球，焊点可靠性也越低，焊球失效的位置并不是在封装体的一侧。6流焊之前在电路板上涂有铅焊料合焊比单纯年来国内外科研工作人员主要通过激光全息法、应变计法等方式对焊料热应力应变进行研究，但是目前的测量方法的结果不是很准确。另外由于科研人员对故障原因还没有深入了解，故在测试时所产生的研究经费和时间也不少。(2)理论法除了实验法外还有理论方法来进行焊点的失效分析，理论分析法代替实验法有一定的优势。理论分析法有很多种类，但是目前人们经常用到的有限元法。如今有大量的有限元软件，比如如用有限元模拟分析技术来研究焊点可靠性，可以对焊点的失效分析结果更加准确，不必在花费大量的时间和物力来做试验，方面减少科研时间以及资源的浪费，在一定程度上提高电子产品的开发周期。比如国内周斌17等人对焊点进行热循环有限元模拟仿真研究，以有限元软件行应力应变的研究工作。(3)理论实验结合法由于焊料材料特性很复杂，许多本构模型并不能很好表达焊料的特点性能，模拟结果也具有误差。故可以通过有限元仿真研究，对焊球的一些参数优化，预测焊点的热可靠性，另外在用实验法对模拟的准确性进行实验验证，大大提高了结果的准确性。8等人采用实验法来对测底部填充物对其疲劳寿命不利，另外采用有限元软件来模拟焊点的可靠性，发现球珊阵列结构封装体的疲劳寿命跟材料参数以及粘结物位置有一定的影响，研究发现旁边的粘结物对是角点上位置粘结物对外，由于电子元器件以及焊点的尺寸很小，采用实验法进行测量焊料应力应变的结果不很准确。比如有限元仿真法具有较准确模拟焊球内部应力应变在正常工作期间及失效的时间变化历程的功能，但是实验法不具有该项特性。综上所述，本文采用有限元模拟分析软件而方便更加深入了解焊点在热循环条件下的失效机制。点本课题的研究过程中采用仿真模拟过程中，焊球在热循环条件下表现蠕变的特性，故除了焊球其余都应用线弹性来求解力学模型。但是焊球要考虑温度以及塑性变形对材质特性的作用。当然,合金以武汉纺织大学硕士学位论文8及金属，粘塑性跟晶粒中滑移、位错有联系。然而从材料方面来考虑，蠕变与粘塑性是相同的。们是是且本文研究也属于低应变情形。阻抗固溶体强化、位错密度等相联系。相关的关系式为： =c1 (中可以表达关系式如下： ,s, ( ,s,具体方程表达式如下： mp (部变量关于演化的关系式如下： s,式( ,s,回复、应变硬化等过程作出了定义。其演化的详细函数式 110 1 ; (外， (上起来有九种参数分别为A、 0s 、Q、m、s、n、 0h 。点寿命预测模型目前世界上很多科研工作人员都为焊点可靠性进行了许多专研，也得出了很多焊点寿命预测模型。对封装组件具体来讲，可将其划分四种类型：(1) 塑性形变作为基础。这种模型侧重于和时间不相关的塑性效应，经常用到的典型模型有9疲劳模型、0疲劳模型以及2) 蠕变形变作为基础。这种模型侧重于和时间相联系的影响因素，经常用到的典型模型有1模型、2模型，然而其不考虑塑性形变，因此不能对所有电子产品疲劳寿命进行准确预测。(3) 能量作为基础。这种模型侧重于应变和应力的迟滞能量关系，经常用到的模型有3模型、4模型。(4)断裂参量作为基础。这种模型侧重于断裂力学为理论，算出裂纹扩展积累的破坏效应，经常用到的模型有5、6等人的预测模型。内外研究现状无铅焊料熔点等优良性能，故许多科技工作人员对其产生了广泛的关注和认可。近年来国内外科技人员对无铅焊主要在一下几点可靠性的研究：1、关于无铅焊点自身可靠性的专研，包含焊点成分、应力应变及失效原因等。2、关于失效测试技术以及基本理论的科学研究，包含焊点热循环预测其疲劳寿命、本构方程研究、可靠性试验法等27当应力大于焊点的屈服强度，其将发生塑性变形，同时在应力集中地方发生疲劳断裂，这是由于载荷影响使断裂不断扩展和积累，最终使焊点产生失效现象，即为经常见到的焊点失效过程30目前已有大量学者对究发现焊点在经历热循环时随着2，然而跌落时其疲劳寿命却相应降低33。研究表明无铅焊能提高焊接点强度，降低焊点脆性断裂。4通过对很多焊料的进行科学研究，究发现当致材料热膨胀系数不匹配，封装体在振动冲击或热循环条件下，极易形成较大应变，最终使5。另外陈该青36等人也采用实验法发现材质热膨胀系数不匹配问题促使焊点裂纹萌生、扩展。田艳红37等人通过有限元模拟发现向无铅焊过渡的均匀混装疲劳寿命较高；另外回流焊后，残余应力的存在对混装内最武汉纺织大学硕士学位论文10早在焊点可靠性领域的研究（马鑫、丁颖、王春青、王国忠等）38重点：通过有限元进行仿真焊料在受热的冲击及热