增强型CCGA焊柱的热疲劳寿命研究

2022-02-09张元伟张炜杰邹振兴方玉财张振越

电子产品可靠性与环境试验 2022年6期

张元伟，张炜杰，邹振兴，方玉财，张振越

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035）

0 引言

陶瓷柱栅阵列（CCGA：Ceramic Column Grid Array）封装形式的器件基板和PCB板之间的距离的增加，有效地降低了器件基板和PCB之间由于热膨胀系数不同而引起的焊料剪切变形，降低了封装内部的热应力变化，提高了焊料在不同温度变化范围内的可靠性；同时有利于封装散热，为芯片提供更加适宜的工作均温和更高的使用结温，更好地满足恶劣环境的适用性[1-3]。CCGA的焊柱与器件基板的接触面大且互联更短，有利于降低电感和电容，提高封装的电性能[4]。

CCGA封装器件的外引出端达2 000级及以上的情况下，器件基板与PCB板之间的焊柱的可靠性要求更高，因此开发增强型CCGA封装结构。增强型焊柱借助焊柱良好的耐蠕变能力，更好地适应器件基板与PCB板之间由于热膨胀系数不同所产生的热应力问题，有效地提升高密度、多引出端的CCGA产品的可靠性。利用有限元进行温度循环疲劳仿真，仿真条件参照GJB 548B—1010.1方法。用于研究的焊柱包括镀铜型焊柱和铜带缠绕型焊柱，结构示意图如图1所示，借助基于应变范围的Coffin-Manson及其演化公式，进行疲劳寿命的评估，确定可靠性最优的焊柱类型。

图1 增强型焊柱结构示意图

1 仿真模型

1.1 几何模型

以尺寸为52 mm×52 mm且采用50×50阵列的CCGA封装为研究对象。假设材料致密均匀，不考虑缺陷，将器件简化为陶瓷基板、焊柱和PCB板，为减少运算时间，考虑结构的对称性，建立器件的1/4模型，如图2所示。

图2 CCGA器件板级三维模型

1.2 材料参数

采用统一型粘塑性Anand本构方程可以准确地描述焊料在温度循环载荷条件下的粘塑性变形行为。仿真分析所需的焊点Anand模型参数如表1所示[5-6]，器件各个部分的材料力学性能参数如表2所示[7]。

表1 焊料Anand模型参数

表2 器件各个部分的材料力学参数

1.3 载荷与边界条件

对仿真模型进行网格划分，在边角处的区域进行网格细化，网格划分结果如图3所示。温度循环主要涉及的边界条件为温度的变化，此处的仿真忽略了温循过程中温度传递的过程，假设器件的温度分布是均匀的。按照GJB 548B—1010.1标准，设置温度循环条件，温度变化范围为-65～150℃，高低温保持时间为10 min，高低温转换时间为1 min。对于1/4对称模型，在模型的中心对称点进行固定的约束。

图3 CCGA器件板级有限元模型

2 寿命预测方法

焊柱在温度循环载荷下的寿命预测模式主要是低周疲劳，目前对焊柱的疲劳寿命预测的方法主要是基于塑性应变的Coffin-Manson方程，即材料的的低周疲劳寿命（Nf）和塑性应变范围（Δγp）之间符合如下经验关系[8]：

式（1）中：Nf——温度循环疲劳失效的次数；

Δγp——非弹性剪切应变范围，其值是等效塑性应变范围的倍；

εf——疲劳韧性系数，对于SnPd共晶焊料取εf=0.325；

c——疲劳韧性指数。

c的表达式为：

式（2）中：Tsj——温度循环的中间温度，单位为℃；

tH——高温保持时间，单位为min。

3 结果分析

由于边角处焊柱距离结构中心最远，由热膨胀系数不同引起的内部应力与变形最大，最先发生热疲劳失效，因此只需预测边角处焊柱的疲劳寿命。提取边角处焊柱的应变云图，如图4所示。通过观察应变云图可以发现，两种类型焊柱的最大应变均出现在Sn63Pb37焊料与Pb90Sn10焊柱的交界处。两种类型焊柱的最大等效塑性应变范围如表3所示，将最大等效塑性应变范围代入式（1）-（2）中，得到镀铜型焊柱的热疲劳寿命为1 330次；而铜带缠绕型焊柱热疲劳寿命高达2 123次，寿命大约是镀铜型焊柱热疲劳寿命的1.6倍。