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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
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。
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 中，假定Csat(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Csat (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Csat 有Arrhenius 公式描述[3]：
D =D0 exp(QD/RT) (1)
Csat=C0 exp(QC/RT) (2)
式中：QD 和QC 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。
1.2 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。
1.3 PBGA 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。
1.4 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。
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。
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Von 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Von 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。图9 给出了硅芯片的湿热应力分布图，由图9 看出，应力分层现象很明显，可见湿热应力对硅芯片的破坏很大。
3 结论
针对PBGA 封装器件，建立了潮湿扩散有限元仿真模型，基于此模型，对器件在经过潮湿前处理后的潮湿分布进行仿真，得到和实际相符合的器件内部潮湿度分布。接着类比有限元热分析过程，建立了湿热应力分析模型，从而在一定的条件下对器件的热应力和湿热应力进行了仿真分析，并且通过分析比较可知：
(1) 由器件的热应力和湿热应力分布图可以看出，器件的湿热应力明显大于它的热应力，在85℃，RH60%条件下，应力提高了40.1%到57.7%，可见在器件中潮湿应力要大于热应力，若再提高温度和湿度，应力还会有更大的提高，尤其是温度高于100℃。在全塑封引线键合PBGA 和塑封倒装芯片PBGA 中，潮湿应力发现是热应力的1.3-1.5 倍[1]。本文通过仿真分析，结果证明误差较小，能够与之符合，所以潮湿应力是IC 封装失效的一个明显
的因素。
(2) 在硅芯片四周Von Mises 热应力和湿热应力值都较大，并都在硅芯片、模塑封料和基板交界处达到最大值。
(3) 硅芯片在热应力作用下分层比较明显，而在湿热应力作用下更加明显，因此湿热应力对硅芯片的破坏很大。
参考文献：
[1] E. H. Wong, R. Rajoo, S. W. Koh, T. B. Lim. The Mechanics and Impact of Hygroscopic Swelling ofPolymeric Materials in Electronic Packaging. Journal of Electronic Packaging. JUNE 2002, Vol. 124,122–126.
[2] Wong E H, Koh S W, Lee K H, et al. Advaced moisture diffusion modeling & characterization for electronicpackaging [A]. Electronic Components and Technology Conference [C]. 2002.
[3] Galloway Jesse E, Miles Barry M. Moisture absorption and desorption predictions for plastic ball arraypackages [A]. Intersociety Conference on Thermal Phenomena [C]. 1996. 180–186.
[4] Lam Tim Fai. FEA simulation on moisture absorption in PBGA packages under various moisturepre-conditioning [A]. Electronic Components and Technology Conference [C]. 2000.
[5] 巫松, 蒋廷彪, 杨道国, 等. PBGA 器件潮湿扩散和湿热应力的有限于分析 [J]. 电子元件与材料, 2004,23(6): 42–44. |
