1 引言

随着IC封装技术向高密度、薄型化、高性能、低成本的分方向发展，BGA封装形式已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，因而封装组件的长期可靠性高，与 GA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成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适用于更大尺寸的封装和更多的I/O，而且耐高温、高压。

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，焊球材料为高钎材料10 90 ，它的熔点在300℃左右，焊球和封装体的连接需要使用低温共晶纤料膏63 37 ，熔点为183℃，在焊接的过程中，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。

CCGA结构有三种类型，如图2所示[1，2]，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63 37 共晶焊膏将其焊在PCB板上，完成机械电气连接，在返修的重溶的温度下焊柱不会熔化，便于返修；第二种为悍线柱（Wire Column），焊柱与陶瓷载体及PCB板的连接都采用65 37 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CLA 柱（column Last Attach solder Proce ），在焊柱与陶瓷板的连接中，采用较高熔点的焊膏，如在63 37 共晶焊膏中加入少量的Pd，Pd与 反应形成 - 金属间化合物，熔点在280摄氏度左右，这样在反修过程中不会发生上述问题。

为了实现CLA 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95 5 钎料，其熔点为235℃，它与Ni/Au焊盘有很好的润湿性，界面形成Ni- 化合物，90 10 焊柱的表面镀有Cu/ 层， 层用于保护Cu层，使其不被氧化和腐蚀，同时提高了焊柱与95 5 钎料的润湿性，形成了良好的接头，Cu层作为堵挡层，阻碍95 5 钎料与高 焊柱反应形成低熔点的 共晶相。

CBGA与CCGA结构的优缺点，如表1所示[4]。

3 CBGA及CCGA热循环条件下的可靠性

3.1 接头的热疲劳寿命

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和受振动时的连接要求，目前AL2O3是陶瓷载体的主要材料，它的线膨胀系数为6×10-6/℃，而环氧树脂的线膨胀系数为15×10-6/℃，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焊点内部应力应变的周期性变化，直至的焊点内部断裂的一种加速焊点失效的试验研究方法，图4是温度循环载荷的规范为-55℃-125℃。

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]，1μs内电阻增加300欧姆以上，焊点就判定失效。

在热循环下，焊点产生的热变形如图6所示：

假定：极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：

其中，ab、ac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（D ），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和焊点上，同时，提高焊点高度可以降低热应变。

一般，金属的热疲劳寿命可用Ma on-Coffin公式来描述：

其中：m和C为常数，ΔεP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Ma on-Coffin公式来表示：

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）。

实验设定条件下的接头的热循环寿命与实际服役条件下的热循环寿命的关系可以用Norris和Landzberg推导的加速因子来表示[7]，公式为：

AF=（ΔTl/ΔTf）19（ff/fl）1/3×exp[1414（1/Tmaxf-1/Tmax）] （4）

式中，AF为加速因子，Tmax为热循环最高温度，ΔT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，可以从实验获得的接头热疲劳寿命来推断实际服役条件下的接头疲劳寿命。

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等效塑性应变范围与等效蠕变应变范围，对于采用共晶 焊膏的情况，塑性部分可采用Solomon的疲劳寿命公式[8]；

式中，x是一个随机变量（循环次数），β和θ是威布尔分布参数，其中，β为形状因子，它决定了平均失效时间附近的失效频率，θ为寿命参数，代表了焊点的质量，在x=θ时，63.2%的接头失效，通过测得的热疲劳数据进行曲线拟合，可以获得威布尔分布的参数值，从而得到焊点的累计失效函数。

3.2 热循环失效分析

热循环试验分2种情况，高低温度转换速度较慢时属于正常热循环，当高低温转换速度较快时属于热冲击。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-30摄氏度-100摄氏度，温度转换速度为2-5摄氏度/min，高应力区位于PCB板与钎料的界面上；（b）的循环温度为-55摄氏度-125摄氏度，温度转换速度为15摄氏度/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适配造成的，而（b）的温度转变迅速，系统的温度分布不均，应力分布是由局部的热失配造成的。

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[10]，钎料如过程中缺陷的产生促使疲劳裂纹形内并扩展，从而降低了接头的疲劳寿命[11]，Wong认为含嗲的主要表现是蠕变纤维，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]，从而H.L.Pang对CBGA焊点的弹塑性-蠕变有限元模拟解结果发现，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-55摄氏度-125摄氏度热循环下循环频率、保持时间及温度变化速度对CBGA接头黏塑性（塑性变形和蠕变）变形的影响[14]，发现在CBGA接头中，接头的等效塑性应变随着循环频率，、温度变化速度的增加和增加，随着保持时间的责备而下降，然而，蠕变应变与此相反，累计黏塑性应变随着循环次数的增加而怎么，其中蠕变应变站主要地位，CBGA结构的边缘接头中，63 37 钎料膏与90 10 钎料求相比，前者等效蠕变应变、等效塑性应变分别为后者的10倍到2倍。

热循环试验中，接头的两端都会产生裂纹，但断裂可能存在于陶瓷载体一侧，也可能存在于PCB板一侧。图8(a)、(b)所示为典型的热疲劳失效接头[15]。

Kroma 的分析，失效是由于裂纹从高铅钎料球与PCB板连接的共晶钎料中扩展，最终导致断裂[16]。Xie的热循环模拟表明[17]，最大的塑性应变集中在共晶钎料与陶瓷基板的连接界面上，最大的蠕变应变也同样集中在那里，塑性应变与蠕变应变的结合决定了裂纹的产生和扩展，失效最容易在靠近陶瓷基板的界面上，文献[18]的热循环试验结果与此模拟结果相符。

Lau研究对比了CCGA采用 AgCu焊膏与采用 焊膏的热循环可靠性[19]，焊柱为90 l0 ，模拟结果表明，采用 AgCu焊膏的接头的蠕变剪切应变要比采用 焊膏的低，这是由于 AgCu钎料合金抗蠕变性能好，但接头的剪切应力分布刚好相反，因为 AgCu钎料合金的弹性模量大。综合蠕变应变与应力的因素，对比接头的蠕变应变能，发现采用 AgCu焊膏的比较高，试验结果也证明了采用 焊膏的接头疲劳寿命较高[20]。

3.3 采用无铅钎料的CBGA与CCGA接头的可靠性

文献[21]研究对比了采用 3.8Ag0.7Cu、95 5 钎料的CBGA接头与传统采用 钎料的CBGA接头在相同热循环条件下的疲劳寿命，发现采用采用无铅钎料的接头疲劳寿命要比 的高，95 5 要比 3.8Ag0.7Cu的高一些。

目前在CBAG中采用的无铅钎料主要为单种成分的 AgCu合金钎料，在组装再流的过程中钎料完全熔化，导致接头塌陷，这比传统的 双成份合金钎料结构的接头要矮，尽管如此，采用 AgCu接头的疲劳寿命仍然比采用 接头的高[22]。

为了实现CCGA的无铅化，可以采用Cu焊柱替代 焊柱。Cu焊柱表面镀 ，防止Cu氧化，保证其与陶瓷基板、树脂板上的焊盘金属的润湿性。早先的研究表明经过拉伸的Cu的刚度要比90 l0 钎料高得多，而且，发现这种Cu焊柱在热循环中本身不产生疲劳，这与钎料焊柱有很大的不同，后者最终的疲劳失效主要产生在焊柱上。另一方面，有较高刚度的Cu会将更多的应变传到钎料中，导致钎料承受更大的疲劳损伤，将Cu丝退火会减轻这种影响。Cu丝退火后，弹性极限降低，在低应变下会有一定的软化。接头的连接一般采用 AgCu钎料，如要实现CLA 工艺，则Cu焊柱与PCB板的连接采用 AgCu钎料，而与陶瓷载体的连接采用 Ag钎料。研究表明随着Cu焊柱高度增加，接头疲劳寿命显著增加，过高时会产生太大的变形，但并不表明Cu柱直径越小，接头寿命越高，可根据实际情况选取适当的Cu柱参数[23]。CuCGA接头经热循环，失效主要产生在陶瓷载体一侧的钎料上，这表明钎料的疲劳寿命比Cu焊柱低，PCB一侧的钎料也有较低程度的损伤。D 越大的接头，Cu焊柱的变形越大，同时最先失效，中间接头的Cu焊柱基本不变形。经优化后的CuCGA结构与传统的 焊柱结构相比，有同样或更好的电性能，虽然疲劳寿命相对要差一些[24]，但也可达到采用 AgCu钎料的CBGA接头的2倍。

4 影响CBGA及CCGA接头可靠性的几点因素

4.1 焊膏体积

Y.P.Wu研究了PCB板上焊膏厚度对氮气保护再流焊CBGA组装板可靠性的影响[25]。试验采用的CBGA陶瓷基底的焊盘直径为0.86mm，PCB焊盘直径则为0.635mm，焊球的直径为0.89mm，对由不同厚度焊膏形成的CBGA接头进行了剪切强度、弯曲疲劳、振动疲劳和热冲击疲劳等试验。试验结果表明，使用0.15mm厚度的模板印刷焊膏时，其剪切强度、弯曲疲劳和热冲击疲劳等性能指标都达到了最大。失效主要发生在PCB板一侧，当焊膏体积增加时，PCB板一侧强度提高，失效转移到陶瓷基板一侧，Marie Cole的研究结果与此相似[26]。

4.2 填充材料

在C4倒装焊中，一般在芯片与基板间填充环氧树脂，这样不但可以保护芯片免受环境如湿气、离子等污染，利于芯片在恶劣的环境下正常工作，而且可以使芯片耐受机械振动和冲击。特别是填充树脂后可以减少芯片与基板(尤其PCB)间热膨胀失配的影响，即可减小芯片凸点连接处的应力和应变。此外，由于填充使应力和应变再分配，从而可避免远离芯片中心的凸点和四角的凸点的连接处应力和应变过于集中，最终可使有填充芯片的可靠性比无填充芯片的可靠性提高10～100倍。因此，在CBGA与CCGA封装中，使用填充材料可以缓和陶瓷载体与PCB板热膨胀系数不匹配引起的应力、应变。

填充材料通常是硬颗粒(如SiO2)填充的热固性树脂(如环氧树脂)基的复合材料，填充材料成分对力学性能影响已有一些研究：在填充材料中加入适量的硅烷偶联剂可以明显改善填充材料与基板间的界面结合强度[27,28]；文献[29]对SiO2颗粒含量为50％和70％的填充材料在不同温度下的应力松弛行为进行了测试，发现含50％填充颗粒的材料的松弛模量明显低于含70％填充颗粒的材料；文献[30]从复合材料力学的角度对填充材料室温下的弹性模量与SiO2填充颗粒(平均粒径为15um，颗粒质量分数为0～70％)含量的关系进行了研究，结果表明室温下填充材料的弹性模量随颗粒含量的变化趋势与Mori-Tanaka方法的预测结果基本一致，如图9所示。但没有考察材料的高温变形行为以及塑性变形行为随颗粒含量的变化。

Burnette等人研究了不同的填充材料对CBGA封装可靠性的影响[31]，实验表明填充材料大大提高了CBCA封装的可靠性。填充材料最主要的参数是它的热膨胀系数(CTE)，CTE太大反而会使CBGA封装的可靠性比没有填充材料时更低。当填充材料的CTE与接头合金钎料的CTE比较匹配时，会使封装的可靠性提高。他们建立的带有填充材料的模型不能准确评价封装的可靠性，模型不能描述带有填充材料的CBGA封装过程的物理行为。

4.3 冷却速度

Fan等人研究了再流焊过程的冷却速度对CBGA接头在剪切循环应力作用下的疲劳寿命的影响[32]，在冷却速度较快的接头中，共晶钎料的晶粒细小均匀，阻碍裂纹产生和扩展，从而提高了接头的疲劳寿命。界面组织分析表明，失效主要发生在PCB板一侧的共晶 钎料上，但裂纹并不沿着界面扩展，而是沿着共晶 钎料上的粗大的富 相内或附近向高 钎料球扩展，裂纹的扩展路径表明钎料的显微组织对裂纹的生长有重要的影响。

Yao和Shang发现，当冷却速度从随炉冷却到水冷的增加过程中，共晶钎料接头在低能量释放率条件下，疲劳裂纹生长的阻力增加了50％多[33]，这个结论与Fan的相一致。

4.4 其他因素

文献[17]的有限元模拟结果表明，在CBGA接头中，随PCB板厚增加，应变有所增加，当厚度达到一定程度，弹性应变就不再增加，因为PCB板越厚，硬度越大，导致钎料接头应变越大，陶瓷基板的厚度对弹性应变没有影响，但是Andy Perki 的研究发现[4]，在CCGA接头中，减少陶瓷基板的厚度可以提高疲劳寿命，改变PCB板的厚度对接头的疲劳寿命影响不大，当采用高热膨胀系数的陶瓷载体时，疲劳寿命有显著的提高。

5 结束语

CBGA及CCGA封装以其高封装密度，高可靠性在军事及航空航天的电子设备制造方面得到广泛应用，其热循环下的可靠性一直备受关注，本文详细介绍了这两种封装结构及其热循环可靠性的研究进展，重点分析了影响其热疲劳寿命的各种因素，对接头的失效机理作了对比分析，为后续的研究提供参考。

本文引用地址：http://www.newbonder.com/article/2006/1228/article_1363.html

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