陶瓷柱柵陣列封裝器件回流焊工藝仿真*

田文超，史以凡，辛 菲，陳 思，袁風(fēng)江，雒繼軍

(1.西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710068；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州511370；3.佛山市藍(lán)箭電子股份有限公司，廣東佛山528051)

1 引言

隨著集成電路設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展和摩爾定律的不斷突破，人們對(duì)器件的封裝工藝提出了越來(lái)越高的要求。球柵陣列（Ball Grid Array，BGA）封裝因具有引腳多、集成度高、散熱性能良好和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中[1-3]。陶瓷柱柵陣列（Ceramic Column Grid Array，CCGA）封裝是在BGA封裝的基礎(chǔ)上，將BGA的焊球替換為焊柱，可以更多地吸收CCGA基板與印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）之間由熱膨脹系數(shù)失配引起的應(yīng)力[4]。CCGA封裝比BGA封裝更可靠，具有高可靠性、優(yōu)良的電氣和熱性能等優(yōu)點(diǎn)[5]，可以承受壓力、沖擊和惡劣的操作環(huán)境，常被用于航空航天領(lǐng)域[6-8]。但在CCGA器件回流焊工藝中存在著焊接工藝難度大、容易出現(xiàn)焊點(diǎn)裂紋、虛焊等問(wèn)題。出現(xiàn)上述問(wèn)題的很大一部分原因是基板和PCB的熱膨脹系數(shù)相差很大，在回流焊過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，而結(jié)構(gòu)參數(shù)和降溫速率對(duì)其殘余應(yīng)力有較大的影響。

基于上述問(wèn)題，本文以微線圈型CCGA回流焊工藝為研究對(duì)象，研究PCB焊盤直徑和回流曲線降溫速率對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響。本文建立了微線圈型CCGA回流焊工藝的仿真模型，研究了PCB焊盤尺寸和回流曲線對(duì)器件焊接殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，并以降低工藝殘余應(yīng)力為目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，優(yōu)選出工藝參數(shù)組合。

2 微線圈型CCGA回流焊工藝仿真分析

2.1 微線圈型CCGA回流焊工藝仿真模型設(shè)計(jì)

微線圈型CCGA回流焊仿真模型如圖1所示，包括基板、PCB板、微線圈焊柱和焊料4部分，并且呈上下結(jié)構(gòu)分布。由于該模型關(guān)于中心對(duì)稱，為了減少計(jì)算量，建立了1/4模型來(lái)進(jìn)行仿真計(jì)算，圖2為模型爆炸圖。

圖1 微線圈型CCGA回流焊工藝仿真模型

圖2 模型爆炸圖

微線圈型CCGA器件的基板采用陶瓷材料，長(zhǎng)為35 mm，寬為35 mm，高為1.6 mm。微線圈型CCGA器件的微線圈焊柱采用鈹銅材料，高為1.27 mm，寬為0.5 mm，直徑為0.063 mm，微線圈焊柱有1144個(gè)，高密度地分布在基板和PCB之間。焊料為錫鉛焊料，爬錫高度為0.35 mm。PCB板長(zhǎng)為10 cm，寬為10 cm，高為1.2 mm，具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)匯總表

2.2 仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程

仿真過(guò)程如下：

1)利用Ansys軟件的瞬態(tài)熱模塊為其施加所需的回流曲線載荷，計(jì)算得到溫度場(chǎng)；

2)將第一步計(jì)算得到的溫度場(chǎng)作為溫度載荷導(dǎo)入到Ansys軟件的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)模塊中；

3)在PCB底部施加固定約束的邊界條件；

4)進(jìn)行相關(guān)的求解設(shè)置，仿真計(jì)算得到殘余應(yīng)力的結(jié)果。

在降溫速率為1℃/s，PCB焊盤直徑為0.80 mm的情況下，其殘余應(yīng)力云圖如圖3和4所示，模型的應(yīng)力分布均勻且數(shù)值較小，最大殘余應(yīng)力位于基板邊角焊柱位置處，最大殘余應(yīng)力為9.0675 MPa。

圖3 整體應(yīng)力云圖

2.3 影響殘余應(yīng)力的因素

在研究回流曲線對(duì)殘余應(yīng)力的影響時(shí)，重點(diǎn)考慮了降溫速率這個(gè)因素。在滿足回流焊曲線標(biāo)準(zhǔn)的前提下，設(shè)置了7條回流溫度曲線，7條曲線降溫速率分別為1.0℃/s、1.5℃/s、2.0℃/s、2.5℃/s、3.0℃/s、3.5℃/s、4.0℃/s。圖5為殘余應(yīng)力隨降溫速率變化的折線圖。

圖4 整體應(yīng)力云圖側(cè)視圖

圖5 殘余應(yīng)力隨降溫速率的變化

在研究不同PCB焊盤直徑對(duì)殘余應(yīng)力的影響時(shí)，綜合考慮了CCGA器件焊柱間距與常見(jiàn)PCB焊盤尺寸后，設(shè)置了6種PCB焊盤尺寸，其直徑分別為0.68mm、0.72 mm、0.76 mm、0.80 mm、0.84 mm、0.88 mm。圖6為殘余應(yīng)力隨PCB焊盤直徑變化的折線圖。

圖6 殘余應(yīng)力隨PCB焊盤直徑的變化

通過(guò)研究回流曲線、PCB焊盤直徑對(duì)CCGA器件回流焊工藝殘余應(yīng)力的影響，可以得到：

(1)在其他條件相同的情況下，降溫速率在1.0～2.5℃/s內(nèi)變化時(shí)，最大殘余應(yīng)力變化不明顯，降溫速率大于2.5℃/s時(shí)，降溫速率越大，殘余應(yīng)力越大。

(2)在其他條件相同的情況下，PCB焊盤直徑變化對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響未呈現(xiàn)出規(guī)律性的趨勢(shì)，當(dāng)PCB焊盤直徑為0.76 mm時(shí)，殘余應(yīng)力最小，為10.749 MPa。

3 參數(shù)優(yōu)化

3.1 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在該參數(shù)優(yōu)化中，參數(shù)有2個(gè)：PCB焊盤直徑和降溫速率。

PCB焊盤直徑的2個(gè)參數(shù)變量分別為0.76 mm和0.80 mm；降溫速率的2個(gè)參數(shù)變量分別為2.00℃/s和2.50℃/s。由參數(shù)和參數(shù)變量，可以得到表2所示的參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)表。

表2 參數(shù)優(yōu)化表

3.2 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

對(duì)表2中的4次參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)進(jìn)行仿真計(jì)算，可得到4次參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力值，各試驗(yàn)的殘余應(yīng)力見(jiàn)表3。

表3 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)可以得到，當(dāng)PCB焊盤直徑為0.76 mm、降溫速率為2.00℃/s時(shí)，殘余應(yīng)力最小，最小殘余應(yīng)力為6.9600 MPa。

4 總結(jié)

本文以微線圈型CCGA為研究對(duì)象，研究了回流焊工藝中降溫速率和PCB焊盤直徑對(duì)器件殘余應(yīng)力的影響。在其他條件相同的情況下，降溫速率在1.0～2.5℃/s內(nèi)變化時(shí)，最大殘余應(yīng)力變化不明顯；降溫速率大于2.5℃/s時(shí)，降溫速率越大，殘余應(yīng)力越大。出現(xiàn)上述情況的原因是器件的殘余應(yīng)力主要是由基板與PCB的熱膨脹系數(shù)失配引起的，降溫速率越大，熱膨脹系數(shù)失配越嚴(yán)重，殘余應(yīng)力也就越大。PCB焊盤直徑的變化對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響未呈現(xiàn)出規(guī)律性的趨勢(shì)，當(dāng)PCB焊盤直徑為0.76 mm時(shí)，殘余應(yīng)力最小，為10.7490 MPa。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化得到當(dāng)PCB焊盤直徑為0.76 mm、降溫速率為2.0℃/s時(shí)，殘余應(yīng)力最小，殘余應(yīng)力為6.9600 MPa。