CCGA及CBGA封裝器件加固可靠性研究

李進(jìn)保 張?jiān)捷x 楊 迪

CCGA及CBGA封裝器件加固可靠性研究

李進(jìn)保 張?jiān)捷x 楊 迪

（北京計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京 100854）

針對(duì)CCGA及CBGA封裝器件的焊點(diǎn)可靠性問題采用ANSYS有限元模擬分析的方法，分別對(duì)器件加固前和加固后焊點(diǎn)的應(yīng)力情況進(jìn)行仿真，確認(rèn)在器件的四角進(jìn)行加固可以有效地降低器件焊點(diǎn)在溫循、振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)下受到的應(yīng)力，且隨著加固范圍的擴(kuò)大，焊點(diǎn)受到的應(yīng)力值呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)；通過實(shí)物樣件試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)使用環(huán)氧膠對(duì)器件每角加固1/4長(zhǎng)度，可以有效保證器件在溫循、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)過程中的可靠性。

CCGA；CBGA；有限元分析；加固；可靠性

1 引言

隨著航空電子產(chǎn)品芯片向精細(xì)化、高集成度和國產(chǎn)化替代方向發(fā)展，以CBGA/CCGA為代表的底部高鉛焊端封裝器件使用越來越廣泛，該類器件本體尺寸較大，質(zhì)量重，若加固不當(dāng)，焊點(diǎn)易在沖擊、振動(dòng)等試驗(yàn)過程中開裂失效[1～3]，而器件在實(shí)際使用過程中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形很難通過試驗(yàn)來精準(zhǔn)測(cè)量。采用有限元仿真，分析加固前后器件的應(yīng)力分布情況，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證加固方法的有效性，為實(shí)現(xiàn)軍工產(chǎn)品高可靠性的目的提供有效支撐。

2 有限元建模仿真分析

2.1 樣件的選型

依據(jù)型號(hào)產(chǎn)品中使用的CCGA及CBGA器件封裝形式以及市場(chǎng)現(xiàn)有采購到的器件規(guī)格，確定以CCGA（JXCSX95T）引腳數(shù)量為1136，中心距1mm，直徑0.51mm和CBGA（JXCF128X）引腳數(shù)量為128，中心距為1mm，直徑0.76mm的器件作為試驗(yàn)樣件。

常用加固膠有機(jī)硅橡膠和環(huán)氧樹脂膠。有機(jī)硅膠屬于濕空氣硫化型密封膠，機(jī)械性能和耐磨性能差，而環(huán)氧樹脂含有多種極性基團(tuán)和活性很大的環(huán)氧基，機(jī)械性能和耐磨性好，且使用有機(jī)硅膠加固產(chǎn)品在沖擊試驗(yàn)過程中出現(xiàn)過焊點(diǎn)失效情況，因此，以環(huán)氧膠為研究對(duì)象建立模型。

2.2 建模

采用美國ANSYS公司的電子產(chǎn)品分析軟件Workbench下的靜力學(xué)、模態(tài)、隨機(jī)振動(dòng)等分析模塊，對(duì)CBGA、CCGA、印制板的組合體進(jìn)行力學(xué)分析。CBGA/CCGA與印制板焊接結(jié)構(gòu)涉及的材料眾多，熱膨脹系數(shù)也有較大差別，具體使用材料的物理性質(zhì)如表1所示。

表1 CBGA/CCGA焊接材料物性參數(shù)

根據(jù)某產(chǎn)品典型PCB布局及各器件物理特性參數(shù)建立PCBA組件模型[4]，如圖1所示。

圖1 三維模型

2.3 約束條件

依據(jù)樣板產(chǎn)品在使用過程中的緊固要求，在印制板組件的安裝孔處使用35N?cm的力矩進(jìn)行約束，約束位置如圖2所示。

圖2 約束位置

2.4 激勵(lì)條件

依據(jù)QJ3086A《表面和混合安裝印制電路板組裝件的高可靠性焊接》要求，對(duì)組件施加溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)[5]，溫度循環(huán)試驗(yàn)條件為-55～100℃之間，高低溫各保持10min，溫變速率不大于10℃/min；隨機(jī)振動(dòng)條件見表2。

表2 振動(dòng)邊界條件

為了驗(yàn)證印制板組件在實(shí)際使用中受到的最大綜合應(yīng)力，將溫度循環(huán)與振動(dòng)條件疊加后對(duì)組件進(jìn)行應(yīng)力仿真。通過單項(xiàng)振動(dòng)仿真得知印制板組件方向應(yīng)力最大（如圖3所示），將溫度循環(huán)條件與方向振動(dòng)進(jìn)行疊加。

圖3 振動(dòng)方向定義

2.5 有限元求解

2.5.1 器件加固前仿真求解

通過ANSYS自帶的求解器計(jì)算在給定的激勵(lì)條件下，對(duì)加固前電路板及其上元器件所受的應(yīng)力進(jìn)行分析，仿真應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 加固前器件應(yīng)力云圖

由圖4可知，兩器件應(yīng)力最大值分別為43.677MPa、41.938MPa，最大應(yīng)力產(chǎn)生于球體/柱體與焊盤連接區(qū)域。

對(duì)于Sn-Pb合金層，當(dāng)厚度在1～3μm時(shí)，合金層可承受的應(yīng)力強(qiáng)度最小為30MPa，結(jié)合溫度循環(huán)和振動(dòng)疊加后的仿真結(jié)果，器件CCGA、CBGA在按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)后，焊點(diǎn)承受的最大應(yīng)力值大于合金層可承受的最小應(yīng)力值（30MPa），因此需要采取加固措施。

2.5.2 器件加固后仿真求解

考慮產(chǎn)品有低氣壓使用環(huán)境要求，沿器件四周加固，器件底部會(huì)形成一個(gè)密閉空間，導(dǎo)致器件內(nèi)外產(chǎn)生壓差，從而使器件承受額外的應(yīng)力以及加固可靠性的降低[6]。因此，為了滿足器件實(shí)際使用的要求，提高器件的可靠性，將器件四角進(jìn)行加固，加固長(zhǎng)度分別取器件長(zhǎng)和寬的1/5、1/4，在溫循和振動(dòng)疊加激勵(lì)下進(jìn)行模擬仿真，與加固前進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 加固后器件應(yīng)力云圖

由圖5分析可知，將器件的四角進(jìn)行加固后，器件受到的應(yīng)力值較約束前明顯變小，且隨著加固長(zhǎng)度的增大，受力呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)。當(dāng)加固長(zhǎng)度為器件的1/4時(shí)，由仿真結(jié)果可知CCGA受到的最大應(yīng)力值為7.6162MPa，CBGA受到的最大應(yīng)力值為0.239MPa，遠(yuǎn)小于合金層最小可承受的應(yīng)力值30MPa。

因此通過模擬仿真試驗(yàn)，理論上在器件四周增加加固措施，加固長(zhǎng)度為器件的1/4，可以降低器件及焊點(diǎn)受到的應(yīng)力，滿足可靠性的要求。

3 可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)用焊膏：銦泰Pb62.6Sn0.4Ag。

試驗(yàn)用印制板：FR-4基材的印制板。

鋼網(wǎng)厚度[7]：CBGA(0.15mm)、CCGA(0.18mm)，開孔方式1:1。

試驗(yàn)器件：CBGA和CCGA。

焊盤大小[8]：CBGA焊盤與焊球直徑1:1，CCGA焊盤與焊柱直徑1.27:1。

焊接曲線：加熱因子[9～11]為：1160sec·℃。

加固膠：環(huán)氧膠E-51。

加固方式：使用三防保護(hù)膠帶對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)（其具有絕緣性），膠帶附著在器件側(cè)壁的1/2寬度，長(zhǎng)度與環(huán)氧膠加固的長(zhǎng)度一致，如圖6所示，加固實(shí)物見圖7。

圖6 焊點(diǎn)保護(hù)

圖7 加固實(shí)物圖

將檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品數(shù)量3片，試驗(yàn)項(xiàng)目包括溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)、機(jī)械沖擊，其中1#～3#進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，取1#樣品進(jìn)行金相分析，2#～3#樣品進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，3#樣品進(jìn)行機(jī)械沖擊試驗(yàn)（條件見表3），如表4所示。

表3 機(jī)械沖擊試驗(yàn)條件

表4 加固可靠性試驗(yàn)方案

將環(huán)氧膠E-51加固并經(jīng)過可靠性試驗(yàn)后的樣件進(jìn)行磨樣、金相分析，所檢焊點(diǎn)均未見不潤濕或開裂現(xiàn)象，切片結(jié)果如圖8所示。

圖8 金相分析

綜上，通過實(shí)驗(yàn)分析表明，當(dāng)器件焊接合格后，采用環(huán)氧膠對(duì)器件的四角進(jìn)行加固，加固長(zhǎng)度為邊長(zhǎng)的1/4時(shí)，可以有效保證焊點(diǎn)在振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)中的可靠性。

4 結(jié)束語

通過采用有限元模擬分析的方法，分別對(duì)CCGA及CBGA封裝器件加固前和加固后焊點(diǎn)的應(yīng)力情況進(jìn)行仿真，確認(rèn)在器件的四角進(jìn)行加固可以有效地降低器件焊點(diǎn)在溫循、振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)下受到的應(yīng)力，且隨著加固范圍的擴(kuò)大，焊點(diǎn)受到的應(yīng)力值呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)，并通過實(shí)物樣件驗(yàn)證了環(huán)氧膠對(duì)器件加固的有效性，當(dāng)使用環(huán)氧膠對(duì)器件每角加固1/4時(shí)，可以有效保證器件在溫循、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)過程中的可靠性。

1 呂強(qiáng)，龍明懿，陳賀賢，等. CCGA封裝特性及其在航天產(chǎn)品中的應(yīng)用[J]. 電子工藝技術(shù)，2014，35(4)：222～226

2 陳柳，徐朱力. CCGA焊接故障分析及可靠性研究[J].電子工藝技術(shù)，2019，40(1)：25～28

3 李苗，孫曉偉. CBGA器件焊接工藝與焊點(diǎn)失效分析[J]. 電子與封裝，2021，21(8)：22～28

4 王尚，田艷紅. CBGA器件溫度場(chǎng)分布對(duì)焊點(diǎn)疲勞壽命影響的有限元分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2016，37(11)：113～118

5 卜瑩，孫秩，馮倩. 大尺寸CCGA高鉛焊料在溫度沖擊下焊點(diǎn)可靠性的研究[J]. 科技創(chuàng)新，2017(2)：10～19

6 張偉，孫守紅，孫慧. CCGA器件的可靠性組裝及力學(xué)加固工藝[J]. 電子工藝技術(shù)，2011，11(32-6)：349～352

7 IPC. Design and assembly process implementation for BGAS[S]. IPC-7905C. 2013：8～16

8 陳瑩磊. 高密度大尺寸CCGA二級(jí)封裝可靠性分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010

9 姜海峽. 關(guān)于回流焊接溫度曲線設(shè)置的研究[J]. 新技術(shù)新工藝，2019(8)：64～67

10 蔡海濤. 回流焊接溫度曲線控制研究[J]. 微處理機(jī)，2008(5)：24～26

11 王文智. BGA封裝器件低空洞真空汽相焊接技術(shù)研究[J]. 航天制造技術(shù)，2022(1)：23～27

Research on The Reliability of CCGA and CBGA Package Devices

Li Jinbao Zhang Yuehui Yang Di

(Beijing Institute of Computer Technology and Applications, Beijing 1008542)

Aiming at the reliability of the solder joints of CCGA and CBGA packaged devices, ANSYS finite element simulation analysis method is used to simulate the stress of the solder joints before and after the device reinforcement. It is confirmed that strengthening at the four corners of the device can effectively reduce the stress of the solder joints under the temperature cycle and vibration environment tests. The stress value of solder joint showed a decreasing trend with the expansion of the reinforcement range. According to the sample test, when the epoxy adhesive is used to reinforce 1/4 length of each corner of the device, the reliability of the device in the process of temperature cycle, vibration and impact test can be effectively guaranteed.

CCGA；CBGA；finite element analysis and grass；reinforcement；reliability

101-TP391.9 A

A

李進(jìn)保（1989），本科，機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)；研究方向：電子裝聯(lián)技術(shù)。

2023-06-12