陶瓷阵列封装的两种形式及其接头可靠性

低成本的方向发展 , BGA 封装形式己经成为当前 电子行业的主流技术。 陶瓷球栅阵列 CBGA 作为 BGA 的一种封装形式, 有优异的热性能和电性能， 同时气密性好，抗湿气性能高，因而封装组件的长
收稿日期 !2006-08-02
作者简介 !张成敬，硕士研究生，从事微电子封装和微连接技术研究。
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图3
带 镀 层 的 CCGA 结 构
CBGA 与 CCGA 结构的优缺点如表 l 所示[4]：
表1
CBGA 与 CCGA 的 优 缺 点 对 比 CBGA CCGA 热机械可靠性高 I/O 数 >l657
优点
有标准的工艺设备 占用较少的垂直空间 动态力学可靠性高 电感电容低 良好的自对准特性
缺点
Leabharlann Baidu
热机械可靠性差 I/O 数 <l657
专题报道 " "
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陶瓷阵列封装的两种形式 及其接头可靠性
张成孜， 王春青 ( 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院 ! 黑龙江哈尔滨 150001)
摘 要 ! 介绍了 CBGA 及 CCGA 的基本结构 ! 对它们的优缺点进行了对比 ! 分析了在热循环过程 中 !CBGA "CCGA 封装结构产生的热应变及接头的热疲劳寿命 ! 对目前接头热疲劳失效机理的分 析进行了对比 ! 总结了影响接头热疲劳寿命的几种因素 # 关键词 !CBGA "CCGA " 热循环 " 疲劳寿命 " 可靠性
1.9 1/3 AF = （ !Tl/!T） ff / f） >exp[1414 （ 1/Tmaxf - 1/Tmax） f （ l l ] [7]
于热仲击。 Ghaffarian 分析对比了这 2 种情况下接 头应力分布的不同[6]，如图 7 所示。 （ a）的循环温度 为 3Oc~1OO C ， 温度转换速度为 2 ~5 C/min， 高应力区位于 pCB 板与钎料的界面上； （ b）的循环 温度为 55c~125 C，温度转换速度为 15 C/min， 这时高应力区位于陶瓷载体与钎料的界面上。 这是 由于 （ a）的温度转变缓慢，系统的温度分布均匀，应 力分布是由整体的热失配造成的，而 （ b）的温度转 变迅速，系统的温度分布不均，应力分布是由局部 热失配造成的。 在热循环过程中，焊点主要产生塑性变形和蠕 变变形， 蠕变变形会使晶界处产生孔洞和裂纹 [1O]， 钎料蠕变过程中，缺陷的产生促使疲劳裂纹形核并 扩展，从而降低了接头的疲劳寿命[11]。 Wong 认为焊 点的主要表 现 是蠕变行为 , 裂纹在 富铅 、 富锡相 的 相界处萌生;在裂纹尖端 应力场的作 用下,通过沿晶 蠕变、空洞扩展, 最后被破坏[12]。 而从 H. L. pang 对 CBGA 焊点的弹塑性一蠕变有限元模拟结 果发现 ， 蠕变应变对焊点的疲劳寿命有较大 的 影响[13]。 Bor Zen Hong 通过有限元模型计 算 在 55C ~125C 热 循环下， 循环频率、 保持 时间 及 温度变 化 速度对 CBGA 接头 釉 塑性 （ 塑性变形和蠕变）变形的 影响
中图分类号：
文献标识码：
文章编号：1004-4507 （ 2006）08-0010-08
Overview on Two Types of Ceramic Array Package and Their Solder Joint Reliability
ZhANG Cheng-jing, WANG Chun-ging
图 2 CCGA 结 构 的 3 种 类 型
图l
典 型 的 CBGA 结 构
CCGA 结构有 3 种类型，如图 2 所示 [l,2]。 第一 种为铸型柱 （ Cast Column），先使用高温焊将高铅 焊柱固定在陶瓷基板上 , 再采用 63sn37Pb 共晶焊 膏将其焊在 PCB 板上，完成机械电气连接，在返修 的重熔温度下焊柱不会熔化，便于返修；第二种为 焊线柱 (wire Column) , 焊柱与陶瓷载体及 PCB 板 的连接都采用 63sn37Pb 共晶焊膏， 这种工艺在电 路板返修重熔时，大部分焊柱会脱离陶瓷载体而留 在 PCB 板上， 在新的 CCGA 元件与 PCB 板连接 前，需要人工清除 PCB 板上的焊柱，增加了成本； 第 三 种 是 CLAsP 柱 （ Column Last Attach solder Process）， 在焊柱与陶瓷板的连接中采用较高熔 点的焊膏， 如在 63sn37Pb 共晶焊膏中加入少量 的 Pd ， Pd 与 sn 反 应 形 成 Pb-sn 金 属 间 化 合 物 ， 熔点在 280 C左右，这样在返修过程中不会发生上
图 5 CBGA 中 雏 菊 花 环 设 计 示 意 图
[6]
实验设定条件下的接 头 的热循环寿命与实际
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服 役 条 件 下 热 循 环 寿 命 的 关 系 可 以 用 Norris 和 Landzberg 推导的加速因子来表示 ，公式为：
其中："b、"c 分别为 PCB 板和陶瓷载体的热膨胀系 数，L 为焊点到中性点间距 （ DNP），h 为焊点高度， Tmax 和 Tmin 分别为热循环的最高温度与最低温度。 因此，最大热应变发生在陶瓷载体对角线边缘的焊 点上，同时，提高焊点高度可以降低热应变。
图4 温度循环载荷规范
一般， 金属的热疲劳寿命可用 Manson-Coffin 公式来描述： Nmf !#p =!c （ 2） 其中: m 和 C 为常数，!#p 为金属的塑性应变范围。 但是，这个关系式忽略了循环温度与循环频率的影 响 ， 于是，CBGA 接头 的低周疲劳寿命又可以用修 正的 Manson-Coffin 公式来表示： Nf = l !! 2 2"'!f
（ 3）
其中： Nf 为 平均 循环 次数 （ 疲劳寿命）；"!'f 为疲劳 韧 性系数 （ !0.325）； !! 为接 头的剪切应变范围， !! = " 3 !"； !" 为总应变范围； C=- 0.442（ 6>10-4）Tm +（ 1.74>10-2）ln （ 1+f ） 式中：Tm 为疲劳试验的 平均 温度 ；f 为疲劳载荷的 频率 （ 1! f !1000 周 / 天）。
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更大尺寸的封装和更多的 I/O，而且耐高温、高压。
述问题。
2 CBGA 和 CCGA 的 基 本 结 构 及 其 优 缺 点对比
图 1 是典型的 CBGA 封装结构， 主要由陶瓷 载体、焊球、焊膏及 PCB 板组成。 陶瓷载体一般由 多层陶瓷组成； 焊球材料为高温钎料 lOsn9OPb,它 的熔点在 300 C 左右，焊球和封装体的连接需要使 用低温共晶钎料膏 63sn37Pb，熔点为 l83 C ，在焊 接过程中，共晶钎料膏熔化，而焊球不熔化，保持接 头的高度，提高了接头的可靠性。 为了实现 CLAsP 柱工艺，Hong 和 Ray 采用了 带镀层的 CCGA 结构 [3]，如图 3 所示，上接头采用 95sn5sb 钎料，其熔点为 235 C ，它与 Ni/Au 焊盘 有 很 好 的 润 湿 性 ， 界 面 形 成 Ni-sn 化 合 物 。 90Pbl0sn 焊柱的表面镀有 Cu/sn 层，sn 层用于保 护 Cu 层，使其不被氧化和腐蚀，同时提高了焊柱与 95sn5sb 钎料的润湿性，形成良好接头；Cu 层作为 阻挡层， 阻碍 95sn5sb 钎料与高 Pb 焊柱反应形成 低熔点的 snPb 共晶相。
热循环试验中，封装体的焊盘一般设计成雏菊 花环 （ daisy chain）的形式，如图 5 所示，每个环上的 焊点离中性点的距离相近，试验过程对每个环的电 阻进行连续监测。 焊点的失效标准一般参照 IPC-SM-785 的规定
[5]
，1us 内电阻增加 300 $ 以
上，焊点就判定失效。
(
)
l/C
[14]
（ 4） 式中：AF 为加速因子，Tmax 为热循环最高温度，!T 为热循环的最高温度与最低温度之差，f 为热循环 频率 （ f >6 周 /天），下标 l 表示实验设定条件，f 表示 实际服役条件。 通过加速因子，可以从试验获得的 接头热疲劳寿命来推断实际服役条件下接头的疲 劳寿命。 接头在热循环中除了产生塑性变形外，还产生 一定程度的蠕变变形。 根据弹塑性 - 蠕变进行的有 限元分析，可以得到一个循环周期内接头的等效塑 性应变范围与等效蠕变应变范围， 对于采用共晶 Snpb 焊膏的情况， 塑性部分可采用 Solomon 的疲 劳寿命公式[8]： 1.36 1/O.5 （ 5） 3 ! " ! P 蠕变部分可采用 Shine 和 Fox 的疲劳寿命公式[9]：
(microjoining laboratory, school of materials science & engineering, harbin institute of Technology, harbin 150001, China)
Abstract: The structures of CBGA and CCGA were presented. Advantages and drawbacks of the two packages were also compared. Thermal strain induced by thermal cycling was analyzed as well as the fatigue life of solder joints. The mechanism of thermal fatigue failure was further discussed. several factors on the thermal fatigue life of solder joints were summarized. Keywords: CBGA; CCGA; thermal cycling; fatigue life; reliability
2.1 接头热疲劳寿命 CBGA 及 CCGA 的焊点既要确保良好的电气 连接 , 又要具有足够的强度以保证器件在运输或受 震动时的连接要求。 目前 Al203 是陶瓷载体的主 要材料，它的线膨胀系数为 6>10-6 /C,而环氧树脂 的线膨胀系数为 15 >10-6 /C ， 在实际热服役条件 下 , 由于它们的线膨胀系数相差较大，因此很容易 产生失效。 热循环试验是使焊点处于高低温度不断 变化的环境中 , 利用材料间线膨胀系数的不同导致 焊点内部应力应变的周期性变化 , 直至焊点内部断 裂的一种加速焊点失效的试验研究方法。 图 4 是温 度循环载荷规范,试验的温度范围为 -55 C~125 C。 假定：基板没有发生弯曲和翘曲，各点的温度 相同。 焊点产生的剪切应变为： ! = ! = L ("b-"c) (Tmax-Tmin) h h （ 1）
1
引言
随着 iC 封装技术向高密度、薄型化、高性能、
期可靠性高，与 PBGA 器件相比，封装密度更高，这 使其在军事、航空、航天电子设备制造上占有非常 重要的地位。 陶瓷柱栅阵列 CCGA 是 CBGA 的改 进型， 它采用钎料圆柱阵列来替代 CBGA 的钎料 球阵列，以提高其焊点的抗疲劳性能，这是因为柱 状结构更能缓解由热失配引起的陶瓷载体和 PCB 板之间的剪切应力。 与 CBGA 相比，CCGA 适用于
没有标准的制作工艺 需要较大的垂直空间 动态力学性能差
!!"! "###（ 总第 !!" 期） ll
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CBGA 及 CCGA 热循环条件下的可靠性
在热循环下，焊点产生的热变形如图 6 所示：