張國(guó)光，田文超，劉美君，從昀昊，陳思，王永坤

（1.佛山市藍(lán)箭電子股份有限公司，廣東佛山 528051；2.西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710068；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 511370）

1 引言

20 世紀(jì)90 年代初出現(xiàn)的陶瓷柱柵陣列（CCGA）封裝是在陶瓷球柵陣列（CBGA）封裝的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。傳統(tǒng)的CBGA 采用焊球連接陶瓷基板與印制電路板（PCB），焊球的尺寸過(guò)小會(huì)導(dǎo)致基板與印制電路板之間垂直距離過(guò)近。同時(shí)由于氧化鋁陶瓷芯片載體和印制電路板的熱膨脹系數(shù)差異較大，CBGA 器件容易產(chǎn)生熱失配問題[1]。CCGA 器件采用柱柵取代球柵，適當(dāng)增加了器件與印制電路板的間距，有效緩解了熱失配問題，提高了封裝器件的可靠性[2]。作為典型的大尺寸、高密度、高可靠性的封裝器件，CCGA 器件相比于其他封裝器件具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它在保證可靠性的同時(shí)，輸入/ 輸出接口的數(shù)量能夠超過(guò)1 000 個(gè)[3]。1982 年，Raychem 公司研發(fā)了銅帶纏繞型焊柱[4]，其主要成分是Pb80Sn20，采用銅帶等螺距纏繞在釬料內(nèi)柱上。在內(nèi)柱上纏繞銅帶，可以有效增加焊柱的機(jī)械性能，銅帶優(yōu)異的導(dǎo)熱性能還可以輔助焊柱快速降溫散熱[5]，使得CCGA 器件的可靠性更高。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于CCGA 封裝工藝的研究主要集中在加工工藝、焊膏涂覆工藝、落焊控溫工藝、返工工藝等方面[7-13]，鮮少有人關(guān)注CCGA 的植柱工藝[14]。實(shí)際上，不同的固化溫度條件、填充膠材料、點(diǎn)膠位置和點(diǎn)膠量等工藝參數(shù)都會(huì)嚴(yán)重影響銅帶纏繞型CCGA 的焊接質(zhì)量，因此本文開展了基于銅帶纏繞型CCGA 的加固工藝參數(shù)的優(yōu)化工作，給實(shí)際工程制造提供一定的工藝參數(shù)指導(dǎo)。

2 建模與仿真

2.1 材料參數(shù)的設(shè)定

綜合考慮材料的熱學(xué)性能和力學(xué)性能，仿真試驗(yàn)選取了FP4526 型和U8410-99 型2 種固化填充膠，上述固化膠均具有與焊膏、焊柱相近的熱膨脹系數(shù)和彈性模量以及良好的流動(dòng)性，并且是市面上最常用于陶瓷基板元件的固化膠。此外，仿真試驗(yàn)中涉及到的材料還包括焊膏、焊柱、陶瓷基板、銅帶以及PCB，共涉及到導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)和泊松比6 個(gè)材料參數(shù)，所有關(guān)鍵材料的參數(shù)如表1所示。

表1 關(guān)鍵材料參數(shù)

2.2 器件模型與邊界條件

以銅帶纏繞型CCGA1144 為研究對(duì)象，其焊柱陣列的排列方式為矩陣34×34，中心距為1 mm，四邊角各去除3 根焊柱，共計(jì)1 144 根焊柱。因?yàn)楹钢?、焊膏和銅帶的數(shù)目眾多且排布規(guī)則，模型具有明顯的軸對(duì)稱和中心對(duì)稱特征。為了減少重復(fù)計(jì)算，縮短計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，提高研究效率，在保證仿真計(jì)算精度的前提下簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，構(gòu)建如圖1 所示的銅帶纏繞型CCGA 的1/4加固模型，進(jìn)行仿真分析。CCGA 焊接組件主要由芯片、陶瓷基板、焊料、焊柱、纏繞銅帶和PCB 6 個(gè)部分構(gòu)成，加固模型的焊柱結(jié)構(gòu)側(cè)視爆炸圖如圖2 所示，模型具體的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表2 所示。

表2 模型的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

圖1 銅帶纏繞型CCGA 的1/4 加固模型

圖2 加固模型的焊柱結(jié)構(gòu)側(cè)視爆炸圖

在建模時(shí)，對(duì)模型的結(jié)構(gòu)和材料首先做出以下幾點(diǎn)假設(shè)：（1）所有銅帶纏繞型焊柱的尺寸形態(tài)和排布角度一致，嚴(yán)格按照1 mm 中心距的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焊柱進(jìn)行無(wú)誤差排列，焊柱內(nèi)部與表面均無(wú)缺陷，處于完全理想的狀態(tài)；（2）所有封裝材料都是與溫度變化無(wú)關(guān)的線彈性材料；（3）忽略助焊劑、活化劑、焊盤等細(xì)微材料或結(jié)構(gòu)；（4）所有焊點(diǎn)都致密，無(wú)氣孔、空洞缺陷，焊膏爬錫高度統(tǒng)一，在四周均勻包裹焊柱；（5）主要按照熱傳導(dǎo)方式對(duì)器件進(jìn)行加熱，忽略熱對(duì)流與熱輻射作用。

對(duì)模型的所有外表面施加溫度載荷，固化溫度曲線如圖3 所示，共歷時(shí)10 200 s。對(duì)稱邊界載荷施加位置如圖4 所示，對(duì)6 個(gè)對(duì)稱面（圖4 中的紅色區(qū)域）施加對(duì)稱邊界載荷，不再額外加熱。固定位移約束位置如圖5 所示，在PCB 下表面的中心處施加直徑為3 mm的圓形固定位移約束。

圖3 固化溫度曲線

圖4 對(duì)稱邊界載荷施加位置

圖5 固定位移約束位置

2.3 仿真結(jié)果

模型經(jīng)過(guò)加固工藝后的整體殘余應(yīng)力分布情況如圖6 所示。分別提取基板、內(nèi)柱、銅帶、焊料4 個(gè)部分中殘余應(yīng)力最大的點(diǎn)：A 點(diǎn)為基板殘余應(yīng)力最大點(diǎn)，其最大殘余應(yīng)力為0.134 8 MPa；B 點(diǎn)為內(nèi)柱殘余應(yīng)力最大點(diǎn)，其最大殘余應(yīng)力為8.839×10-2～2 MPa；C 點(diǎn)為銅帶殘余應(yīng)力最大點(diǎn)，其最大殘余應(yīng)力為1.399 5 MPa；D 點(diǎn)為焊料殘余應(yīng)力最大點(diǎn)，其最大殘余應(yīng)力為9.549 MPa。出現(xiàn)最大殘余應(yīng)力的邊角焊柱如圖7 所示，焊柱的剖面如圖8 所示。

由以上仿真結(jié)果可以觀察到模型的表面整體呈現(xiàn)深藍(lán)色，說(shuō)明組件的整體殘余應(yīng)力分布均勻且數(shù)值較小，最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在最邊角基板端的焊膏與銅帶接觸的位置，具體為圖6 中D 點(diǎn)，其數(shù)值為9.549 MPa。結(jié)合圖7 和圖8，分析銅帶纏繞型焊柱的受力情況，內(nèi)柱的殘余應(yīng)力很小，大部分殘余應(yīng)力出現(xiàn)在銅帶上，說(shuō)明外側(cè)銅帶具有支撐焊柱、承擔(dān)應(yīng)力的作用。

圖6 整體殘余應(yīng)力云圖

圖7 出現(xiàn)最大殘余應(yīng)力的邊角焊柱

圖8 焊柱的剖面

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 固化溫度條件對(duì)CCGA 組件可靠性的影響

在研究固化溫度變化對(duì)殘余應(yīng)力的影響時(shí)，共設(shè)置了9 條固化溫度曲線，其固化溫度條件參數(shù)如表3所示?；诳刂谱兞糠?，使用FP4526 型填充膠，并在靠近PCB 端、在陶瓷基板與PCB 間距的1/6 范圍內(nèi)填充固化膠。保持上述工況不變，共進(jìn)行了9 次仿真試驗(yàn)，得到不同固化溫度條件下的最大殘余應(yīng)力結(jié)果如表4 所示。

表3 固化溫度條件參數(shù)

表4 不同固化溫度條件下的最大殘余應(yīng)力

由以上數(shù)據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)固化溫度的升降溫速率從5 ℃/min 提升到10 ℃/min 時(shí)，最大殘余應(yīng)力也從9.549 MPa 逐步升至14.289 MPa；而固化時(shí)間在100～140 min 內(nèi)變化時(shí)，加固工藝中的殘余應(yīng)力變化不大。

3.2 點(diǎn)膠位置和點(diǎn)膠量對(duì)CCGA 組件可靠性的影響

采用灌封固化填充膠的方式對(duì)銅帶纏繞型CCGA 組件進(jìn)行加固。加固位置可以分為在PCB 端根部填充和在基板端根部填充2 種。在靠近PCB 端的焊柱根部的填充分布情況如圖9 所示，當(dāng)填充膠靠近PCB 端時(shí)，PCB 作為底面受到固定約束；在靠近基板端的焊柱根部的填充分布情況如圖10 所示，當(dāng)填充膠位于陶瓷基板根部時(shí)，固定約束施加在基板底面上。可以通過(guò)調(diào)整在PCB 端的固化膠的填充高度h 和在基板端的固化膠的填充高度H 來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)膠量的變化。把陶瓷基板與PCB 之間的間距3.73 mm 六等分，每單位高度為0.622 mm。分別在陶瓷基板與PCB 間距的1/6～5/6 之間填充固化膠（后文簡(jiǎn)述為在基板端點(diǎn)膠1/6～5/6 和在PCB 端點(diǎn)膠1/6～5/6），得到固化填充膠的高度H 或h 分別為0.622 mm、1.243 mm、1.865 mm、2.487 mm 和3.108 mm。

圖9 在靠近PCB 端的焊柱根部填充分布情況

圖10 在靠近基板端的焊柱根部填充分布情況

在研究不同的點(diǎn)膠位置和點(diǎn)膠量對(duì)加固模型最大殘余應(yīng)力及變形量的影響時(shí)，選擇FP4526 填充膠，在固化溫度曲線1 的條件下，進(jìn)行10 次仿真試驗(yàn)，得到的最大殘余應(yīng)力結(jié)果如圖11 所示。

由圖11 可以得出：（1）在陶瓷基板端點(diǎn)膠，隨著點(diǎn)膠量的變化，模型最大殘余應(yīng)力總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中最大值為13.044 MPa，出現(xiàn)在F3處；（2）在PCB 端點(diǎn)膠，隨著點(diǎn)膠量的變化，模型最大殘余應(yīng)力的變化幅值為9.549～32.672 MPa，殘余應(yīng)力與填充高度呈現(xiàn)線性關(guān)系，其中最大值為32.672 MPa，出現(xiàn)在D5處；（3）整體上，在基板端填充的殘余應(yīng)力小于在PCB 端填充的殘余應(yīng)力，尤其是在填充高度超過(guò)1.865 mm 時(shí)，前者的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)小于后者。由上述現(xiàn)象可得出結(jié)論：相比于在基板端固化膠填充量的變化，在PCB 端固化膠填充量的變化對(duì)最大殘余應(yīng)力的影響更加明顯。

圖11 在不同的點(diǎn)膠位置與點(diǎn)膠量下的最大殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)

根據(jù)理論分析，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能有：（1）陶瓷基板的彈性模量遠(yuǎn)大于PCB，因此當(dāng)在PCB 端進(jìn)行固化填充時(shí)，其殘余應(yīng)力與在陶瓷基板端固化填充時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力相比有明顯提升；（2）本仿真中，只在PCB 下表面的中心處施加了直徑為3 mm 的圓形固定位移約束，對(duì)陶瓷基板端并未施加任何約束條件，因此，在PCB 端進(jìn)行固化填充時(shí)出現(xiàn)的殘余應(yīng)力一定大于在陶瓷基板端進(jìn)行固化填充時(shí)出現(xiàn)的殘余應(yīng)力。

3.3 填充膠材料對(duì)CCGA 組件可靠性的影響

由于加固工藝的參數(shù)眾多，為了方便論述，下文以“C_點(diǎn)膠位置_點(diǎn)膠量_固化溫度曲線_填充膠材料”的形式對(duì)不同的試驗(yàn)條件進(jìn)行命名。在點(diǎn)膠位置中用“PCB”表示在PCB 端的填充，用“SUB”表示在陶瓷基板端的填充。例如，在試驗(yàn)條件“C_SUB_1_gu7_FP”中，C 代表加固工藝，SUB 表示在基板端填充固化膠，1 表示點(diǎn)膠量為1/6，gu7 表示采取固化溫度曲線7的加熱方式，F(xiàn)P 表示采用FP4526 型環(huán)氧樹脂填充膠。

本文基于控制變量法研究FP4526 型和U8410-99型 2 種填充膠材料對(duì)模型的影響， 選取“C_SUB_1_gu7”和“C_PCB_1_gu1”2 種工藝參數(shù)，分別計(jì)算在使用FP4526 型和U8410-99 型填充膠時(shí)模型的最大殘余應(yīng)力，得到的仿真結(jié)果如表5 所示。

表5 在相同試驗(yàn)條件下使用2 種填充膠的最大殘余應(yīng)力

使用不同的填充膠材料的銅帶纏繞型CCGA 器件在進(jìn)行加固工藝時(shí)，在其他參數(shù)保持一致的條件下，使用U8410-99 型填充膠的模型的最大殘余應(yīng)力大于使用FP4526 型填充膠的模型的最大殘余應(yīng)力，因此推薦使用FP4526 型固化填充膠。根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)可知，相比于U8410-99 型填充膠，F(xiàn)P4526 型填充膠的彈性模量更小，其熱膨脹系數(shù)與焊柱、焊膏更接近，所以其殘余應(yīng)力更小。

3.4 參數(shù)優(yōu)化

正交試驗(yàn)法是常見的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法之一，主要用于研究多因素對(duì)產(chǎn)品某特性的影響、改善產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化工藝流程等[6]。正交表是正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要組成部分，借助正交表可以從大量試驗(yàn)條件中選取少量代表性強(qiáng)的試驗(yàn)條件，更加科學(xué)合理地安排試驗(yàn)。本文采用L9（34）正交表進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。

正交試驗(yàn)選取2 種填充膠材料：U8410-99 和FP4526。選取3 個(gè)點(diǎn)膠位置及3 種點(diǎn)膠量：在PCB 端點(diǎn)膠1/6、在基板端點(diǎn)膠1/6、在基板端點(diǎn)膠2/6。選取3個(gè)固化溫度條件：固化曲線1、4、7。

為了方便后續(xù)計(jì)算，將試驗(yàn)的3 個(gè)因素包括填充膠材料、點(diǎn)膠位置及點(diǎn)膠量、固化溫度條件分別用字母A、B、C 表示，將每個(gè)因素的不同工藝分別用1、2、3表示，即：A1 表示填充膠材料選用U8410-99，A2 表示填充膠材料選用FP4526；B1 表示在PCB 端點(diǎn)膠1/6，B2 表示在基板端點(diǎn)膠2/6，B3 表示在基板端點(diǎn)膠1/6；C1 表示固化曲線1，C2 表示固化曲線4，C3 表示固化曲線7。正交試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 正交試驗(yàn)表

將不同工藝下的各指標(biāo)數(shù)據(jù)求和，稱作指標(biāo)和，用Ki表示（i 表示同種因素不同工藝的順序號(hào))，再取不同工藝下試驗(yàn)的指標(biāo)和的平均值，稱作指標(biāo)平均值，用Ki表示，并定義極差為R，用式（1）來(lái)描述各因素在試驗(yàn)中地位的主次：

極差分析如表7 所示。

表7 極差分析表

引入的極差R 能表示因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響力，極差大的表明該因素對(duì)指標(biāo)的影響力大，通常稱其為主要因子。極差小的表明該因素對(duì)指標(biāo)的影響力小，稱其為次要因子。通過(guò)比較Ki的大小能判定i 因素的最優(yōu)工藝，對(duì)于同一因素的不同工藝，Ki越大說(shuō)明選用該試驗(yàn)條件所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力越大。分析表7 的數(shù)據(jù)可知，填充膠材料中的最優(yōu)參數(shù)為FP4526，點(diǎn)膠位置及點(diǎn)膠量中的最優(yōu)參數(shù)為在基板端點(diǎn)膠1/6，固化溫度條件中最優(yōu)參數(shù)為固化曲線1。3 個(gè)因素的影響力從大到小排序?yàn)椋汗袒瘻囟葪l件、填充膠材料、點(diǎn)膠位置及點(diǎn)膠量。

結(jié)合以上所有仿真試驗(yàn)結(jié)果，得出加固工藝的優(yōu)選參數(shù)組合：使用FP4526 型填充膠，在靠近基板端底部灌封填充高度為0.622 mm 的固化膠，采用固化溫度曲線1 的方式加熱，此時(shí)產(chǎn)生的最大殘余應(yīng)力是9.497 MPa。

4 結(jié)論

本文基于有限元仿真理論，利用ANSYS Workbench 軟件，采用瞬態(tài)熱與瞬態(tài)結(jié)構(gòu)耦合分析的研究方法，針對(duì)銅帶纏繞型CCGA 加固工藝的參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，獲取優(yōu)選工藝參數(shù)組合，用于指導(dǎo)實(shí)際工程生產(chǎn)，得到結(jié)論如下。

（1）經(jīng)過(guò)固化加熱后，模型整體的殘余應(yīng)力分布均勻且數(shù)值較小，最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在最邊角基板端焊膏與銅帶接觸的位置，數(shù)值為9.549 MPa。外側(cè)銅帶具有支撐焊柱、承擔(dān)應(yīng)力的作用，內(nèi)柱的殘余應(yīng)力很小，絕大部分殘余應(yīng)力出現(xiàn)在銅帶上。

（2）當(dāng)固化溫度的升溫速率從5 ℃/min 提升到10 ℃/min 時(shí)，最大殘余應(yīng)力也從9.549 MPa 逐步升至14.289 MPa，而固化時(shí)間在100～140 min 內(nèi)變化時(shí)，對(duì)加固工藝中的殘余應(yīng)力影響不大。整體上，在基板端填充所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力小于在PCB 端填充所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；隨著PCB 端的填充量不斷增加，模型的最大殘余應(yīng)力逐漸增大；隨著基板端的填充量不斷增加，殘余應(yīng)力先增大后減??；相比于在基板端點(diǎn)膠填充量的變化，在PCB 端點(diǎn)膠填充量的變化對(duì)殘余應(yīng)力的影響更明顯。使用U8410-99 型填充膠所產(chǎn)生的最大殘余應(yīng)力大于FP4526 型填充膠，因此推薦使用FP4526 型固化填充膠。

（3） 加固工藝的優(yōu)選工藝參數(shù)組合為：使用FP4526 型填充膠，在靠近基板端底部灌封填充高度為0.622 mm 的固化膠，采用固化溫度曲線1 的方式加熱，此時(shí)產(chǎn)生的最大殘余應(yīng)力是9.497 MPa。