基于焊點形態分析的小節距BGA焊盤尺寸設計

陳軼龍　賈建援　付紅志　朱朝飛

1.西安電子科技大學，西安，710071　　2.中興通訊股份有限公司，深圳，518000

?

基于焊點形態分析的小節距BGA焊盤尺寸設計

陳軼龍1賈建援1付紅志2朱朝飛1

1.西安電子科技大學，西安，7100712.中興通訊股份有限公司，深圳，518000

摘要：為了尋找BGA焊點體積、焊盤尺寸及焊點節距之間的最佳匹配關系以提高焊接成品率，研究了焊點形態對焊接高度的影響。通過Runge-Kutta方法求解帶體積約束的Young-Laplace方程，仿真分析了特定節距下焊點體積與焊盤尺寸對焊接效果的影響。結果表明，焊點體積的變化會使得整個焊點高度與承載力的關系曲線向左或者向右平移，而焊盤直徑則對焊點的最大高度影響更加明顯。需要同時改變焊點體積及焊盤直徑以得到能夠適應相應封裝形式的翹曲變形。最后，按照中興通訊股份有限公司某封裝的0.4 mm節距BGA的標準，分析了0.35 mm節距及0.3 mm節距BGA封裝下焊點體積與焊盤直徑的最佳匹配關系。

關鍵詞：球柵陣列封裝；承載力；焊盤；節距

0引言

電子產品的更新換代，產品功能逐漸完善，性能不斷提高，電子產品朝高速化、小型化及多功能化發展。球柵陣列(ball grid array，BGA)封裝作為一種主要的封裝形式，必須使焊點體積及焊點節距越來越小，才能在相同大小的芯片內封裝更多的互聯焊點以實現更多的功能。0.4 mm節距的封裝器件為當前主要使用的最小節距的封裝形式。0.35 mm節距及0.3 mm節距的封裝形式是當前的主要攻克難題。當焊點節距小到一定程度時，工藝上會出現很多困難。

影響小節距焊接工藝的因素有很多。然而，焊接工藝最主要的目標就是焊接成品率。研究表明，焊點形態對焊接可靠性有直接影響[1-2]?？紤]焊點體積的不可避免的制造誤差及器件不同材料不同的熱膨脹系數導致的芯片熱翹曲變形，焊點形態需要在芯片任意位置適應不同的芯片翹曲變形量才能達到較高的焊接成品率[3]。因此，隨著封裝節距的變小，如何設計焊點體積與焊盤尺寸的工藝參數以使焊點能夠適應芯片的翹曲變形尤為重要。目前，人們大多是依據經驗方法來設計工藝參數，理論研究并不多見[4-5]。

本文將初值問題轉化為邊值問題，考慮體積約束，通過Runge-Kutta方法求解Young-Laplace方程，得到焊點形態及焊點的剛度曲線。再通過對0.4 mm節距封裝形式的仿真分析，得到了焊點體積及焊盤尺寸與焊點剛度的對應關系。最后，按照0.4 mm節距封裝的翹曲形式仿真分析了適合0.35 mm及0.3 mm節距封裝形式的焊點體積及焊盤尺寸工藝參數。

1BGA焊點形態及其受力預測

1.1焊點形態預測

眾所周知， Young-Laplace 方程可以描述靜態液滴在沒有容器時的形態。這個方程能夠表達液滴表面自由能極小化及表面積極小化的狀態[6-7]。圖1給出了一個BGA焊點在焊接過程中液態下的模型及其必要參數。其中，陰影部分為焊盤的位置。圖1中，h為焊點高度；ru、rd分別為上下焊盤半徑；θu、θd分別為上下焊盤與焊點接觸角；W為焊點的承載力；p為焊點內壓力；T為焊點表面張力；ρ、ρ′為曲面上任意一點的兩個主曲率半徑。

圖1　BGA焊點焊接液態模型

如圖1所示，在柱坐標系下Young-Laplace方程為

(1)

其中，液態焊點內部壓力為

p=pm-γgz

(2)

圓周向主曲率為

(3)

式中，γ為焊點的密度；z為液橋高度；pm為底部壓強；g為重力加速度；θ為液橋的張力角；r為液橋半徑(即焊點半徑)。

考慮豎直方向的力平衡關系，有

(4)

其中，V0為焊點初始體積。由于Young-Laplace方程并不是一個封閉的方程，我們并不能得到需要的結果，因此，引入曲率k：

(5)

液態焊點的體積為

(6)

根據圖1，結合式(5)和式(6)，可以得到能夠求解焊點形態的狀態方程組：

(7)

給定表面張力T、焊點密度γ、焊點承載力W和焊點初始體積V0，使用MATLAB軟件通過Runge-Kutta方法求解狀態方程(式(7))可得到焊點形態。

對無鉛焊料 Sn96Ag3.5Cu0.5進行分析，各項參數如表1所示。

表1　焊料參數

在焊接的自組裝過程中，由于芯片的翹曲變形，位于芯片不同位置的焊點，其高度將會不同。由此，有些焊點會承受拉力，其他焊點則承受壓力，而所有焊點的受力總和將與芯片重力達到平衡狀態。所以，當給定不同的承載力W時, 焊點將會有不同的形態及高度。圖2所示為不同承載力下的焊點形態仿真結果?？梢钥闯?，焊點承載力不同時，焊點的高度和焊點的最大徑向尺寸完全不同，而這正是影響焊點是否會被拉斷或者橋連的主要因素。

圖2　不同焊點高度的焊點仿真形態

1.2焊點不同高度下受力分析

式(1)不僅是描述液體形態的方程，同時又是描述液膜力平衡的方程。一個特定體積的液態焊點在不同的承載力下有多種可能的形態，然而，它的最大高度是有限的，當給定焊盤等邊界條件時，特定體積的焊點所能達到的最大高度是確定的。超過最大高度的焊點形態是不符合物理事實的，不能夠通過方程求解[8]。但是，如果考慮焊點可以被擠壓出焊盤的潤濕區域到阻焊層上，那么焊點的最低高度是不好確定的。因此，本文規定，當焊點的最大徑向直徑大于焊點節距時定義為失效。根據1.1節中的焊點形態的預測，得到焊點高度與承載力的關系曲線，如圖3所示。

圖3　焊點高度與承載力關系

圖3中，每一個黑點對應一個特定的焊點形態。橫坐標對應的曲線范圍提供了判斷自組裝過程中焊點的失效準則。如果芯片的間距大于焊點最大高度，則焊點會被拉斷形成斷路。如果芯片間距小于焊點最低高度，則焊點可能與周圍的焊點橋連而斷路。通過縱坐標，可以得到特定高度焊點的承載力，大于零則承受壓力，小于零則承受拉力。要想提高焊接成品率，就需要提高焊點的高度范圍，以適應芯片翹曲變形。

2焊點高度范圍仿真分析

2.1體積及焊盤尺寸對焊點高度范圍的影響

本文對中興通訊股份有限公司提供的某型號的封裝器件的BGA焊點進行仿真分析。其封裝節距為0.4 mm。通過改變焊點的體積及焊盤的尺寸來尋找最佳的工藝參數配比。圖4和表2所示為焊盤直徑為0.25 mm不變，改變焊點體積得到的焊點最大高度和焊點最小高度范圍。圖4中的曲線序號對應于表2中的數據。

圖4　不同焊點體積下的焊點高度與焊點承載力的關系

序號焊點體積(10-2mm3)焊點最小高度(mm)焊點最大高度(mm)10.560.08570.198020.680.09770.218930.820.10760.241740.970.12240.266151.150.13880.2918

由圖4和表2可以看出，當焊點節距與焊盤直徑確定時，隨著焊點體積的增大，焊點高度與承載力的關系曲線會整體向右移。也就是說，當焊點體積增大時，焊點能夠更好地適應翹曲量相對較大的封裝形式。然而，焊點適應小翹曲量的能力變差，也就是說焊點更容易與附近的焊點橋連而形成短路。

圖5和表3所示為焊點體積為0.82×10-2mm3時，改變焊盤直徑得到的焊點最大高度和焊點最小高度范圍。圖5中的序號對應于表3中的數據。

圖5　不同焊盤直徑下的焊點高度與焊點承載力關系

序號焊盤直徑(mm)焊點最小高度(mm)焊點最大高度(mm)10.210.10180.305320.230.10450.279630.250.10760.241740.270.11310.225650.290.11410.1971

由圖5和表3可以看出，當焊點節距和焊點體積確定不變時，隨著焊盤直徑的增大，焊點高度與承載力的關系曲線范圍會減小。焊盤直徑的增大使得焊點最小高度增大，而焊點最大高度減小。但是，可以看出，焊盤直徑的變化對焊點最大高度的影響更明顯。

考慮到焊點體積存在不可避免的制造誤差以及焊點位置分布的隨機性，為了能夠更好地適應相應封裝形式的翹曲變形量，減小焊點斷路或短路的可能性以提高焊接成品率，就需要在設計時考慮焊盤直徑、焊點節距與焊點體積三者之間的匹配關系。

2.20.35 mm及0.3 mm節距封裝的工藝參數仿真

對于中興通訊股份有限公司提供的該封裝器件0.4 mm節距的封裝形式，最終得出了焊點體積為0.82×10-2mm3、焊盤直徑為0.25 mm的最佳匹配關系，能夠適應芯片的翹曲變形，提高焊接成品率。面對目前尋求的更小節距的封裝形式，就需要改變焊點體積及焊盤直徑的尺寸。按照相同封裝形式的翹曲變形量，表4給出了0.40 mm、0.35 mm和0.30 mm節距情況下的最佳焊點體積及焊盤直徑參數。圖6給出了三種不同節距s下焊點高度與承載力的關系曲線，三條曲線的橫坐標范圍基本相同，從而能夠適應相同的封裝形式下的翹曲變形。

表4　同節距下的最佳工藝參數

圖6　不同節距s的焊點高度與承載力的關系

3結論

(1)焊點體積的變化會導致焊點的最大高度和最小高度同時變化；焊盤直徑的改變對焊點最大高度有明顯影響。

(2)需要同時調整焊點體積及焊盤直徑才能使焊點適應相應封裝的翹曲變形，提高焊接成平率。

(3)本文所述方法可以為新產品提供一種理論設計方法，降低試驗成本。

參考文獻：

[1]Zhang S, Kim S H, Kim T W, et al. A Study on the Solder Ball Size and Content Effects of Solder ACFs for Flex-on-board Assembly Applications Using Ultrasonic Bonding[J]. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2015, 5(1): 9-14.

[2]Khor C Y, Abdullah M Z, Leong W C. Fluid/Structure Interaction Analysis of the Effects of Solder Bump Shapes and Input/Output Counts on Moulded Packaging[J]. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2012, 2(4): 604-616.

[3]Tower S C, Su B Z, Lee Y C. Yield Prediction for Flip-chip Solder Assemblies Based on Solder Shape Modeling[J]. IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing, 1999, 22(1): 29-37.

[4]胡姜文,潘華強,鄭銳,等.0.35 mm間隙BGA批量組裝工藝探討[C]//2014中國高端SMT學術會議論文集.寧波, 2014: 144-150.

[5]趙國玉，廖華沖，朱文兵. BGA焊接可靠性分析及工藝改進[J], 兵工自動化，2010， 29(3)：35-37.

Zhao Guoyu，Liao Huachong，Zhu Wenbing. Reliability Analysis and Technology Improvement of BGA Welding[J]. Ordnance Industry Automation, 2010, 29(3)：35-37.

[6]Heinrich S M, Schaefer M, Schroeder S A, et al. Prediction of Solder Joint Geometries in Array-type Interconnects[J]. Journal of Electronic Packaging, 1996, 118: 114-121.

[7]Finn R. Equilibrium Capillary Surfaces[M]. Berlin: Springer-Verlag, 1986.

[8]魯賽. PoP封裝結構焊球液橋隨機性自組裝及危險服役焊點的研究[D]. 西安：西安電子科技大學，2013.

(編輯王旻玥)

收稿日期：2016-01-20

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61201021)

中圖分類號：TG454

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.13.015

作者簡介：陳軼龍，男，1988年生。西安電子科技大學機電工程學院博士研究生。主要研究方向為電子封裝可靠性。賈建援，男，1952年生。西安電子科技大學機電工程學院教授、博士研究生導師。付紅志，男，1979年生。中興通訊股份有限公司高級工程師。朱朝飛，男，1984年生。西安電子科技大學機電工程學院博士研究生。

Design of Fine Pitch BGA Solder Joint Pad Based on Solder Joint Shape Analyses

Chen Yilong1Jia Jianyuan1Fu Hongzhi2Zhu Zhaofei1

1.Xidian University,Xi’an,7100712.ZTE Corporation,Shenzhen,518000

Abstract:The influences of solder joint shape on the solder joint height were studied to find the optimal matching relations of the volume, the pitch and the pad of BGA solder joint to increase solder yield. The Young-Laplace equation with the constraint of the volume was solved based on the Runge-Kutta method. The influences of the solder joint volume and diameter of pad on the solder joint height range were simulated. The results show that the whole solder joint height range shifts left or right with the changing solder joint volume. The influences of the pad diameter on the maximum height of the solder joint are of more obvious. The warping adapting to the package might be obtained by changing solder joint volume and pad diameter at the same time.Based on the standard of a 0.4 mm pitch of BGA package of ZTE, the optimal matching relations of the solder joint volume and the diameter of the pad were analyzed with the 0.35 mm pitch and 0.3 mm pitch respectively.

Key words:ball grid array(BGA) package; carrying capacity; pad; pitch