PBGA封装的热应力与湿热应力分析比较王栋，马孝松，祝新军(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)摘要：塑封球栅平面阵列封装作为一种微电子封装结构形式得到了广泛的应用。
本文采用有限元软件分析和计算了在潮湿环境下塑封球栅平面阵列封装的潮湿扩散分布，进而分别模拟计算了它的热应力与湿热应力，并且加以分析比较。
关键词：塑封球栅平面阵列封装；有限元；热应力；湿热应力Analysis and Comparison of Thermal Stress andHygrothermal Stress of PBGA PackageWANG Dong, MA Xiao-song, ZHU Xin-jun(Guilin University of Electronic Technology, Guangxi, Guilin 541004, China)Abstract: Plastic ball grid array (PBGA) package has been used widely as a microelectronics packaging structural form. In this paper, the finite element analysis on moisture diffusion in PBGA package during moisture preconditioning by using a FEA software is studied and modeled. Then, thermal stress and hygrothermal stress of PBGA package are simulated and calculated separately, and their performances are analyzed and compared.Keywords: PBGA package; FEM; Thermal stress; Hygrothermal stress在各种微电子封装类型中，目前约占90%以上都采用以高分子材料为基体的复合材料封装。
虽然高分子材料具有适于大规模工业化生产、工艺简单、生产成本低等优点，但因高聚物封装材料固有的有机大分子结构，所以普遍存在随温度升高而产生热应力失效。
另外，高聚物材料的亲水性和多孔性，又使得微电子元器件极易发生由于吸潮而引发的界面层裂破坏及器件整体的失效破坏。
在电子元件的高温焊接过程中，吸潮膨胀产生的潮湿应力再加上焊接的热应力，常引起封装材料发生“爆米花”式的断裂，如图1[1]所示。
BGA(Ball Grid Array)即“球栅阵列”。
它是在基板的下面按阵列方式引出球形引脚，在基板上面装配大规模集成电路(LSI)芯片(有的BGA引脚端与芯片在基板的同一面),是LSI 芯片用的一种表面安装型封装。
它的封装结构形式多种多样，按基板的种类，主要分为PBGA(塑封BGA)、CBGA(陶瓷BGA)、CCGA(陶瓷焊柱阵列)、TBGA(载带BGA)、MBGA(金属BGA)、FCBGA(倒装芯片BGA)和EBGA(带散热器BGA)等。
本文针对PBGA封装器件，运用数值方法，采用有限元软件，计算了潮湿扩散分布，进而分别对器件进行了热应力和湿热应力模拟分析比较。
流程热应力湿热应力图1 回流焊过程中潮湿膨胀引起的封装应力1 有限元模型的构建1.1 建立潮湿扩散模型在封装中建立潮湿应力模型需要了解潮湿扩散，通过潮湿扩散模型来建立潮湿应力模型，但是大多数的有限元软件都没有潮湿扩散模块，因此可以用有限元软件中的热扩散分析来求得潮湿扩散分布。
两者之间的对应关系如表1[2]。
表1 FEA有限元计算参数表特性 热 湿变量 温度T相对湿度W密度 ρ ( kg/cm3) 1传导率 K (W/m·ºC)D*C sat(kg/s·m)比热容 C(J/kg·ºC)C sat( kg/ m3)表1中，假定C sat(饱和湿度)与C(比热容)相当，密度选为1，与传导率K相对的是D(湿度扩散率)与C sat (饱和湿度)的积。
这样，我们就可以用有限元软件来计算潮湿扩散分布了。
对于D和C sat有Arrhenius公式描述[3]：D =D0exp(Q D/RT)(1)C sat=C0 exp(Q C/RT) (2)式中：Q D和Q C是活性能常数；R是Boltzmann常数，一般取为8.63e-5eV/K；T是热力学温度；D0和C0是常系数。
表2FEA有限元计算参数表30ºC/RH60% 60ºC/RH60%材料C sat(g/ mm3)D ( mm2/s)C sat(g/ mm3)D ( mm2/s)BT基板 6.54×10-6 1.51×10-7 1.85×10-5 4.18×10-7硅芯片 1.00×10-6 1.00×10-8 1.00×10-6 1.00×10-8模塑封料7.81×10-6 3.13×10-7 1.34×10-5 1.14×10-6转换文中的数据(表2)[4],带入Arrhenius公式进行计算,得到Arrhenius公式中的常系数(表3)。
表3Arrhenius公式中的参数值材料 Q D(eV/K)D0(mm2/s)QC(eV/K)C0(mm2/s)BT基板 -0.296 0.012 -0.302 673.4 硅芯片 0 1×10-80 1×10-8模塑封料 -0.375 0.533 -0.157 3.127 采用表3的系数值及Arrhenius公式计算出其它温度下的D和C sat (表4)表4FEA有限元计算参数表材料 BT基板硅芯片模塑封料C sat(g/ mm3) 3.84×10-5 1.00×10-6 1.94×10-585℃RH60％D ( mm2/s)8.29×10-7 1.00×10-8 2.85×10-6C sat(g/ mm3) 1.02×10-4 1.00×10-6 3.24×10-5125℃RH60％D ( mm2/s) 2.17×10-6 1.00×10-89.66×10-6C sat(g/ mm3) 5.57×10-4 1.00×10-67.81×10-5220℃RH60％D ( mm2/s) 1.14×10-5 1.00×10-87.92×10-51.2 建立湿热应力模型在封装中知道了潮湿扩散分布和材料的吸湿膨胀特性，可以建立潮湿应力模型，用有限元软件中的热力学来分析潮湿应力模型，建立一个简单的湿热应力分析模型。
表5FEA湿热应力分析参数表特性热湿变量温度T相对湿度W膨胀系数 αβ* C sat 表5[1]中，与热膨胀系数α相对的是β(潮湿膨胀系数)与C sat (饱和湿度)的积。
图2 封装材料不同温度下的CME(β)1.3PBGA结构模型及材料参数的选择选用某种PBGA封装器件，分析对象如图3。
该PBGA器件为有15×15个焊点的正方形，焊球直径是0.76mm,间距是1.5mm，芯片厚0.3mm，边长10mm，EMC厚为1.2mm，边长24mm，BT基板厚1mm，边长为27mm。
图3 器件结构示意图器件结构中材料特性参数具体数值见表6：表6 材料特性参数材料弹性模量E/MPa泊松比ν热膨胀系数CTE/ºCBT基板 2.35×104 0.20 14.6×10-6硅芯片17.0×104 0.28 3.5×10-6模塑封料 2.6×104 0.30 7.0×10-6焊点(37Sn/63Pb)3×104 0.35 21×10-61.4 建立PBGA有限元模型建立PBGA二维有限元模型，采用平面8节点结构单元PLANE82，并且考虑到对称性，有限元计算时选用实际器件的一半来计算，所以限制了各层的单元边长：基板尺寸：13.5mm×1mm；硅芯片：5mm×0.3mm；模塑封料：12mm×1.2mm。
本模型在对称面施加x 方向约束，采用自由网格划分生成有限元网格模型如图4所示。
图4PBGA有限元网格图2 结果分析2.1 潮湿扩散分析由表4数据知，在各温度/相对湿度条件下，经过一定预处理时间后的相对湿度分布如图5(a) (b) (c)所示。
℃ 40h(a)85/RH60%℃ 5h(b)125/RH60%(c)220/RH60%℃ 3h图5PBGA相对湿度分布图计算中，认为焊点不吸潮，芯片的吸潮系数较低。
从图中可以看到，相同的相对湿度下，不同温度对潮湿扩散的影响是很明显的。
85℃下40 h 及125℃下15 h 后的相对湿度大致一样。
同时从图5(a)-(c)各图之间的比较，可以知道，温度越高，越容易使得潮湿的扩散分布呈现不均匀分布，如220℃下芯片正下方的相对湿度分布就不如温度低时的相对湿度分布均匀。
而在焊接前封装器件内部湿度的分布不均是导致焊接时因为潮湿膨胀而引起的应力集中的主要原因[5]。
2.2 热应力与湿热应力分析考虑到器件吸收潮湿，外部环境温度超过100 ℃，水在器件内形态的不确定性，为了避免处理复杂的湿热应力，本文选取外部温度为85℃和外部温度为85℃，RH60%的条件下，保温5min，然后对器件的热应力和湿热应力分别进行了有限元仿真。
(1) 热应力分析：图6是器件外部温度为85℃，保温5min的热应力分布图。
由图6可以看到，在硅芯片四周V on Mises应力值较大，并在硅芯片、模塑封料和基板交界处达到最大值，这是因为硅芯片、模塑封料与基板的交界处热膨胀系数的不匹配，必然导致在硅芯片的附近应力较大。
如果硅芯片和芯片粘接材料间出现裂纹或者粘结力下降，局部应力的集中将使器件处于危险状态。
图7是硅芯片的热应力分布图，由图7可以看到，应力分层现象比较明显，这对硅芯片这样的脆性材料是很有害的，在大的热应力作用下，芯片很可能分层，破裂。
(2) 湿热应力分析：图8是器件外部温度为85℃，RH60%的湿热应力分布图。
由图8可以看到，在硅芯片四周V on Mises湿热应力值较大，并在硅芯片、模塑封料和基板交界处达到最大值。
这是因为在三种材料的交界处湿梯度较大，基板吸湿量最大，而硅芯片被认为不吸潮，在三者的结合点处产生较大的湿应力；同时三种材料的热膨胀系数之间的差异也导致热应力的集中，所以三者的结合点湿热应力是最大的。