增強型CCGA焊柱的熱疲勞壽命研究

張元偉，張煒杰，鄒振興，方玉財，張振越

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

0 引言

陶瓷柱柵陣列（CCGA：Ceramic Column Grid Array）封裝形式的器件基板和PCB板之間的距離的增加，有效地降低了器件基板和PCB之間由于熱膨脹系數不同而引起的焊料剪切變形，降低了封裝內部的熱應力變化，提高了焊料在不同溫度變化范圍內的可靠性；同時有利于封裝散熱，為芯片提供更加適宜的工作均溫和更高的使用結溫，更好地滿足惡劣環境的適用性[1-3]。CCGA的焊柱與器件基板的接觸面大且互聯更短，有利于降低電感和電容，提高封裝的電性能[4]。

CCGA封裝器件的外引出端達2 000級及以上的情況下，器件基板與PCB板之間的焊柱的可靠性要求更高，因此開發增強型CCGA封裝結構。增強型焊柱借助焊柱良好的耐蠕變能力，更好地適應器件基板與PCB板之間由于熱膨脹系數不同所產生的熱應力問題，有效地提升高密度、多引出端的CCGA產品的可靠性。利用有限元進行溫度循環疲勞仿真，仿真條件參照GJB 548B—1010.1方法。用于研究的焊柱包括鍍銅型焊柱和銅帶纏繞型焊柱，結構示意圖如圖1所示，借助基于應變范圍的Coffin-Manson及其演化公式，進行疲勞壽命的評估，確定可靠性最優的焊柱類型。

圖1 增強型焊柱結構示意圖

1 仿真模型

1.1 幾何模型

以尺寸為52 mm×52 mm且采用50×50陣列的CCGA封裝為研究對象。假設材料致密均勻，不考慮缺陷，將器件簡化為陶瓷基板、焊柱和PCB板，為減少運算時間，考慮結構的對稱性，建立器件的1/4模型，如圖2所示。

圖2 CCGA器件板級三維模型

1.2 材料參數

采用統一型粘塑性Anand本構方程可以準確地描述焊料在溫度循環載荷條件下的粘塑性變形行為。仿真分析所需的焊點Anand模型參數如表1所示[5-6]，器件各個部分的材料力學性能參數如表2所示[7]。

表1 焊料Anand模型參數

表2 器件各個部分的材料力學參數

1.3 載荷與邊界條件

對仿真模型進行網格劃分，在邊角處的區域進行網格細化，網格劃分結果如圖3所示。溫度循環主要涉及的邊界條件為溫度的變化，此處的仿真忽略了溫循過程中溫度傳遞的過程，假設器件的溫度分布是均勻的。按照GJB 548B—1010.1標準，設置溫度循環條件，溫度變化范圍為-65～150℃，高低溫保持時間為10 min，高低溫轉換時間為1 min。對于1/4對稱模型，在模型的中心對稱點進行固定的約束。

圖3 CCGA器件板級有限元模型

2 壽命預測方法

焊柱在溫度循環載荷下的壽命預測模式主要是低周疲勞，目前對焊柱的疲勞壽命預測的方法主要是基于塑性應變的Coffin-Manson方程，即材料的的低周疲勞壽命（Nf）和塑性應變范圍（Δγp）之間符合如下經驗關系[8]：

式（1）中：Nf——溫度循環疲勞失效的次數；

Δγp——非彈性剪切應變范圍，其值是等效塑性應變范圍的倍；

εf——疲勞韌性系數，對于SnPd共晶焊料取εf=0.325；

c——疲勞韌性指數。

c的表達式為：

式（2）中：Tsj——溫度循環的中間溫度，單位為℃；

tH——高溫保持時間，單位為min。

3 結果分析

由于邊角處焊柱距離結構中心最遠，由熱膨脹系數不同引起的內部應力與變形最大，最先發生熱疲勞失效，因此只需預測邊角處焊柱的疲勞壽命。提取邊角處焊柱的應變云圖，如圖4所示。通過觀察應變云圖可以發現，兩種類型焊柱的最大應變均出現在Sn63Pb37焊料與Pb90Sn10焊柱的交界處。兩種類型焊柱的最大等效塑性應變范圍如表3所示，將最大等效塑性應變范圍代入式（1）-（2）中，得到鍍銅型焊柱的熱疲勞壽命為1 330次；而銅帶纏繞型焊柱熱疲勞壽命高達2 123次，壽命大約是鍍銅型焊柱熱疲勞壽命的1.6倍。

圖4 焊柱的應變云圖

表3 兩種焊柱各部分的熱疲勞壽命

4 結束語

目前CCGA在多引出端封裝中的應用比較廣泛，增強型焊柱有助于提高CCGA封裝的可靠性。在溫度循環載荷下，銅帶纏繞型焊柱的CCGA封裝熱疲勞壽命是鍍銅型焊柱的CCGA封裝熱疲勞壽命的1.6倍，說明前者的可靠性優于后者。焊柱最先出現熱疲勞損傷的位置是在焊料與焊柱的交接面，損傷點在焊料體上。