BGA封装器件焊球剪切实验及模拟研究

论文摘要

BGA（Ball Grid Array）封装是一种重要封装形式,它具有高密度、体积小、高可靠性、信号延迟少等优点。BGA器件通过焊球与PCB（Printed Circuit Board）连接以形成高一级的功能模块。因此焊球是BGA器件失效的关键部位。近年来,在绿色环保的要求下,焊球材料从原先的Sn-Pb转向Sn-Ag-Cu等无铅焊料。由于装配及使用过程中的机械力、振动;封装工艺过程中,BGA焊球金属间化合物（IMC）的存在、焊接引起的焊球空洞等原因,常常导致BGA焊球破坏,进而使BGA封装器件失效。尤其是焊球采用新的无铅化工艺后,BGA焊球的失效研究尚不充分。因此,研究无铅焊球性能对BGA封装器件的实际应用具有指导意义。本文对Sn-Pb、Sn-Ag3.0-Cu0.5、Sn-Ag3.0-Bi3.0-Ni0.5焊球在不同工艺参数条件下形成的焊点进行了不同速率的剪切实验。对回流次数、峰值温度、剪切速率的变化等因素对焊球剪切强度的影响、焊球断面的微观组织结构、断裂形式的观察进行了较为深入的研究。针对IMC层对焊球焊接强度的影响,本文对IMC层在回流焊过程中的生长进行了研究。利用电子显微镜和EDX考察了IMC层厚度、形貌以及组分随回流温度和回流次数的变化。结合剪切测试数据,定性分析了IMC层对焊球连接界面强度的影响。对长时间热循环载荷下IMC层厚度变化对焊球疲劳寿命的影响,本文采用有限元法进行了计算分析研究。采用改进算法,在计算过程中引入了IMC厚度的变化,利用能量法预测了焊球寿命。本文还采用有限元法对焊球中孔洞对温度、热应力分布的影响进行了研究。本文研究表明,焊球剪切强度随剪切速率持续升高先增加然后降低,原因是断裂位置与模式不同。高剪切速率情况下,趋向于脆性断裂。Sn-Ag3.0-Bi3.0-Ni0.5焊球剪切强度高于Sn-Ag3.0-Cu0.5焊料,回流温度,次数通过IMC层的变化对无铅焊球剪切强度产生影响。IMC过厚会导致剪切强度下降;计算模拟结果显示,温度循环作用下,考虑了IMC层的生长与不考虑IMC层生长相比,利用能量模型预测的焊球寿命降低约30%,表明IMC生长对焊球寿命有明显影响;对焊球中孔洞的模拟表明,焊球中的温度和热应力的极值和分布受到孔洞大小的影响,孔洞的存在增加了焊球失效的可能性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 电子封装中的无铅化
• 1.2 封装技术的发展及BGA封装可靠性问题
• 1.3 有限元方法概述及其在微电子封装中的应用
• 1.3.1 有限元方法的理论基础
• 1.3.2 ANSYS软件简介及有限元方法在微电子封装中的应用
• 1.4 本文的目的和研究内容
• 第二章 BGA焊球的不同速率剪切测试研究
• 2.1 无铅焊球的制备
• 2.2 BGA焊球的回流焊接
• 2.3 无铅焊球不同速率剪切实验
• 2.3.1 断裂模式观察
• 2.3.2 剪切实验结果与分析
• 2.3.3 加热因子对焊点剪切强度及断裂形式的影响
• 2.4 小结
• 第三章 IMC层对无铅BGA封装可靠性影响的研究
• 3.1 金属间化合物对焊接可靠性的影响
• 3.2 不同加热因子及回流焊次数下的IMC层生长情况
• 3.2.1 IMC层厚度随加热因子的变化
• 3.2.2 IMC层生长随不同回流次数的变化
• 3.2.3 不同加热因子下焊点剪切强度及断裂形式的变化
• 3.3 热循环过程中IMC层生长对BGA封装可靠性的影响
• 3.4 电子封装材料的热疲劳现象及热循环实验
• 3.5 考虑IMC层生长的无铅焊接的模拟研究
• 3.5.1 本构模型及材料参数
• 3.5.2 几何模型
• 3.5.3 IMC生长的引入以及热载荷
• 3.6 考虑IMC层生长的无铅焊接的模拟结果及分析
• 3.6.1 IMC生长对应力分布的影响
• 3.6.2 疲劳模型及基于考虑IMC层生长的有限元模拟的寿命预测
• 3.7 小结
• 第四章 BGA空洞对BGA焊接可靠性的影响
• 4.1 封装器件中焊层孔洞的实验分析
• 4.2 空洞对BGA焊球的影响
• 4.3 模拟结果及分析
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢