BGA热疲劳仿真报告.docx
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BGA热疲劳仿真报告
BGA热疲劳仿真报告
电子封装发展过程
为了便于晶体管在电路中使用和焊接，要有外壳外接引脚；为了固定半导体芯片，要有支撑它的外壳底座；为了防护芯片不受大气环境污染，也为了使其坚固耐用，就必须有把芯片密封起来的外壳等，这样产生了微电子封装技术。
概括起来，微电子封装技术经历了以下几个发展阶段：
第一阶段：
20世纪60、70年代，IC芯片的制造还处于初始阶段，集成度很低，对IC封装没有更多的要求。
此阶段采用了以双列直插（DIP）为主，以单列直插式（SU）与针栅阵列（PGA）为辅的封装。
特点是封装尺寸大，占印刷电路板（PCB）面积大，集成度和频率难以提高。
第二阶段：
进入80年代，出现了表面组装技术（SMT），该技术以回流焊代替波峰焊，进一步提高了PCB成品率，对IC的封装提出了新要求，开发出了塑封有引线芯片载体（PLCC）、四边引出线扁平封装（QFP）的紧凑型封装。
第三阶段：
90年代中前期，随着个人计算机的普遍使用，带来了计算机产业质与量上的重大变化，原有的PLCC、QFP、封装上的系统（SOP）已不能满足它的发展要求，从而进一步引入了更小更薄的封装形式：
窄间距小外形封装（SSOP）、窄间距四边引出线扁平封装（SQFP）、内引线的球栅阵列（BGA）封装及壳内系统封装（SIP）。
特别是BGA封装形式，使IC引出脚大大增加。
至此，多年来一直大大滞后于芯片发展的微电子封装，于BGA的开发成功而终于能够适应芯片发展的步伐。
第四阶段：
IT产业的不断繁荣，促进了电子设备向高性能、高集成、高可靠性方向发展，而支持其发展的关键技术就是IC组装技术。
封装技术进入了高速发展期，先进的封装技术和形式不断涌现，如多芯片组件技术（MCM）、芯片尺寸封装技术（CSP）、芯片直接贴装技术和芯片直接安装技术（DCA）三部分。
（4）三级封装。
这是一级密度更高、功能更全、更加庞大复杂的组装技术，是二级组装的各个插板或插卡再共同插装在一个更大的母板上构成的，是一种立体组装技术。
（5）三维（3D）封装。
以上所述的几种微电子封装技术都是在xy平面内实现的二维（2D）封装。
于电子产品小型化、轻型化、薄型化等高密度封装的要求，电子封装必然要在二维的基础上向z方向发展，形成三维封装技术。
3D封装主要包括三种方法：
埋置型、有源基板型和叠层法。
在零级和一级封装中，倒装焊（FCB）技术得到了广泛应用，该技术是最有前途的一种芯片互连技术，它比WB和TAB的综合性能高，是正在迅速发展和应用的高新技术。
图1-1
图1-1给出了印刷电路板上的塑料球栅阵列（PBGA）、芯片尺度封装（CSP）和直接芯片贴装（DCA）结构示意图。
PBGA和CSP都是高密度器件封装，而DCA则省略了器件封装这一环节。
BGA封装简介
球形触点阵列（BGA）是近几年才迅速发展起来的最新表面安装技术中的一类封装形式。
它是在基板的背面按阵列方式制出球形触点作为引脚，在基板正面装配集成电路，而形成的一种表面贴装技术。
按基板材料的类型，BGA的封装类型主要有：
塑料球栅阵列（PlasticBallGridArray，简称PBGA）、陶瓷球栅阵列（CeramicBallGridArray，简称CBGA）、陶瓷柱栅阵列（CeramicColumnGridArray，简称CCGA）、载带自动键合球珊阵
列（TapeAutomaticBallGridArray，简称TBGA）。
BGA焊球直径有和等多种，间距通常和。
这种封装器件具有以下特点：
1．器件引脚很短，使信号路径短，减小了引线电感和电容，增强了电性能；2．改善共面问题，再流焊时具有自对正效应；
3．能与原有的SMT贴装工艺和设备兼容，原有丝印机、贴片机和再流焊设备都能使用；
4．BGA适合MCM的封装需要，有利于实现MCM的高密度、高性能。
当然，BGA本身尚具有一些不尽人意之处：
1．焊点隐藏在封装之下，焊点质量检测困难：
2．BGA的返修需要专用设备；3．BGA的可靠性问题。
CBGA
与铜或合金引脚（线）相比，球形焊点更便宜，也非常适应SMT生产技术的要求，因此各大芯片制造公司（如Motorola，IBM，Hitachi，NEC等）纷纷将PGA（PinGridArray）针栅阵列封装中的插针用焊球来代替，从而演变出CBGA陶瓷球栅阵列封装。
陶瓷封装因其良好的气密性，而主要应用于军事领域。
CBGA采用了多层陶瓷基底，并使用了两种不同的焊点连接方式。
一种是在小一点的陶瓷基片上，采用了球形焊点：
另一种连接方法是更大的陶瓷基片上采用柱形焊点，它现在被称为陶瓷柱形网格阵列封装（CeramicColumnGridArray，CCGA）。
图2-1典型CBGA结构示意图
PBGA
于BT树脂（双马来酞亚胺三氮杂苯树脂）或聚酰亚氨（PI）比陶瓷便宜，并且有很好的电性能，因此被用来代替CBGA中的陶瓷基底，并用塑料将基底与晶片密封起来，形成塑料球栅阵列封装（PBGA），应用于民用。
钎料球（Solderball）组成为共晶钎科63Sn37Pb或62Sn36Pb2Ag，目前钎料球直径分为、和几种，间距一般为、和1mm。
早在1989年，Motorola公司就类似PBGA形式的封装器件成功用于便携式的电子产品中。
图2-2典型PBGA结构示意图
图2-2为典型的PBGA封装结构示意图。
封装时首先采用导电的芯片粘接剂将Si芯片与BT树脂基板粘接起来，再通过印刷铜导线和过孔将电路引至BT基片底部的焊盘阵列。
为了保护芯片不受损坏，采用模压化合物对芯片进行密封，最后将共晶钎料球与基板上的cu焊盘（Pad）连接起来形成钎料凸点（Solderbump），这些以阵列方式排列的钎料凸点即为PBGA封装器件的I/0引脚。
ANAND本构模型在BGA热疲劳寿命预测中的应用
黏性形变是指黏性物体在剪切应力作用下发生不可逆的流动形变，该形变随时间的增大而增大，具有率相关的特性；塑性是指材料在外应力去除后仍能保持部分应变的特性，材料发生塑性形变而不断裂的能力称为延展性，塑性变形与时间无关，具有率无关性；蠕变是指在恒定应力作用下材料的应变随时间增加而逐渐增大的现象，低温下表现为脆性的材料，在高温下往往具有不同程度的蠕变性为，蠕变与时间相关，具有率相关性。
自然界中实际存在的材料，其形变一般介于理想弹性固体与理想黏性液体之间，既具有固体的弹性，又具有液体的黏性，即黏弹性。
黏弹性材料的力学性质与时间有关，具有力学松弛的特性，常见的力学松弛现象有蠕变、应力松弛、滞后和力损耗等。
焊点的寿命预测一直是焊点可靠性问题的重要内容，已经提出了多种寿命预测模型，如基于应变范围的Coffin-Manson经验模型、基于断裂力学的裂纹扩展模型和基于损伤累积的能量模型等。
当前普遍认为，SnPb类焊点在热循环条件下的失效机制是蠕变疲劳的交互作用，SnPb焊点的失效断口既有疲劳断裂的疲劳辉纹，又具有蠕变断裂特征的沿晶辉纹。
这是因为焊点的熔点较低，在常温时就已经发生了不可忽略的蠕变。
所以单纯应用传统的疲劳分析模块是不足以预测焊点的热疲劳寿命的，在进行有限元分析时，必须考虑蠕变效应。
在温度循环加载或者功率循环加载实验中，对于SnPb焊点钎料通常采用两种不同的理论来描述其非弹性行为。
一种是采用与时间无关的塑性形变和与时间有关的蠕变形变分开处理的模型：
另一种则透过建立统一型粘塑性本构模型来对其进行分析。
与前者相比，采用统一型粘塑性本构模型避免了大量材料常数的定义，而且从连续介质热力学角度出发，塑性形变和蠕变产生于同一机制，即位错理论，并考虑到SnPb基钎料具有较强的温度和加载速率的相关性，所以采用统一型粘塑性本构关系能更准确逑反映材料力学行必。
统一型粘塑性本构方程与传统塑性本构理论不同的是，它考虑材料内部状态变化对形变的影响，导致在本构方程中引入内部变量，并用准确的演化方程描述内部变量。
目前，已发展了多种形式的粘塑性本构模型，其中比较有代表性的有：
（1）Miller模型；
（2）Bodncr-Partom模型；（3）Anand模型。
于Anand本构方程同时描述塑性和蠕变形变时准确可靠，并且在ANSYS中可以方便地定义与调用，因此采用Anand本构模型来分析钎料的力学行为。
1982年，Anand等人根据金属的高温成形采用单一内变量描述材料内与时闻有关及无关的非弹性形变，建立了金属热成形的粘塑性本构模型—ANAND模型。
和其他材料模式相比，它具有两个基本特征：
（1）在应力空间没有明确的屈服面，因此在形变过程中，不需要加载／卸载准则，塑性形交在所有非零应力条件下产生；
（2）采用单一内部变量描述材料内部状态对非弹性流动的阻抗。
内部变量（或称形变阻抗）用s标记，具有应力量纲。
Anand本构模型可以反映粘塑性材料与应变速率、温度相关的形变行为，以及应变率历史效应、应变硬化和动态回复等特征。
在ANSYS\\Workbench中可以方便地定义ANAND本构模型的材料参数，ANAND本构模型的相关参数一共有九个，常见的63Sn37Pb的ANAND参数如下表所示：
S0（MPa）Q/RA（s^-1）ξ11h0（MPa）ms（MPa）na10830 表2-163Sn37Pb
于金属的高温成形与钎料的热循环响应产生于相似的位错运动机制，具有
相同的粘塑性特征，所以它在钎料力学性能的研究方面的到广泛的应用。
Anand模型在商用软件ANSYS程序中可以获得，且使用对需要较小的CPU消耗（如对于同一个蠕变问题，Anand模型的计算时间是幂指数型的六分之一）。
在Workbench中可以调用TransientStructural模块仿真在热循环载荷下的具有粘塑性材料参数的BGA焊球的力学行为。
图2-3焊球的材料参数
科芬-曼森疲劳寿命预测模型
通过寿命预测模型，可利用有限元模拟的结果预测出封装组件的寿命。
针对封装组件来说，依照不同的破坏信息，可将寿命预测模型分成主要四类：
（1）以塑性形变为基础的预测模型。
该模型着重于与时间无关的塑性效应，比较有代表性的是Coffin-Manson疲劳模型、Soloman疲劳模型和Engelmaier疲劳模型。
这些模型提供了破坏循环数与每一循环焊点剪切塑性应变大小的经验关系；
（2）以蠕变形变为基础的预测模型。
该模型考虑与时间相关的效应，蠕变形变是影响焊点寿命的重要因素，其机制相当复杂，至今仍无模型能完全预测其整个过程。
比较有代表性的有Kencht-Fox模型和Syed模型，但因忽略塑性形变，故无法准确预测所有的产品；
（3）以能量为基础的预测模型。
该模型较新，考虑到应力与应变的迟滞能量，通过计算每一次循环的应变能或者应变能密度，从而得出与焊点寿命之间的联系。
比较有代表性的有Akayi模型和Darveaux模型；其中，Darveaux模型在ABAQUS仿
真分析中应用较多；
（4）以断裂参量为基础的预测模型。
该模型以断裂力学为基础，计算裂纹的扩展，累积其过程所造成的破坏效应，已经在表征工程材料的弹塑性断裂和疲劳中得到了成功的应用。
在焊点的寿命研究方面，具有代表性的有Lau和Pao等人的模型。
电子封装SnPb焊点失效是低周疲劳失效。
目前，焊点热循环失效的寿命模式主要以低周疲劳的Coffin-Manson方程（简称C-M方程）为基础，即材料的低周疲劳寿命（Nf）和塑性应变范围（Δε）之间符合如下经验关系：
式中，εf是疲劳韧性系数；c是疲劳韧性指数。
该方程是研究材料低周应变疲劳的重要公式。
Solomon采用C-M方程研究了Sn60Pb40钎料的等温疲劳性能，得到在-55℃～+125℃范围内，钎料的疲劳寿命和剪切塑性应变范围间关系为：
于SnPb焊点热循环失效的影响因素很多，在具体应用中，C-M方程被修正成多种形式。
例如：
Engelmaier同时考虑热循环温度和频率的影响，C-M方程被修正为：
其中，c为疲劳韧性指数，与频率和温度有关：
Tm为热循环平均温度，单位为℃；f为热循环频率，单位为cycle/day；
基于Workbench的BGA疲劳寿命的仿真预测
常见的非线性分析分为三种：
几何大变形，材料非线性与接触非线性。
于考虑到粘塑性问题，所以此类分析属于材料非线性，同时于计算了5个温度循环周期，总时间10080秒，所以这个问题属于瞬态动力学范畴，综
合来看，此类问题属于非线性瞬态动力学问题。
关于非线性需要注意的问题：
打开大变形选项，允许程序考虑大变形效应；ANSYS解决非线性问题采用的是牛顿-拉夫逊迭代算法：
ANSYS求解非线性问题的思路是将问题分解成多个载荷步，在每个载荷步内将非线性问题转化为线性问题，并且通过线性求解的结果来调整刚度子矩阵，因此，非线性问题在程序上的表现就是模型的刚度矩阵不再是固定不变的，而是与空间和时间相关的，而程序的任务就是调整刚度矩阵，使其在每一个载荷步内接近该载荷步内刚度矩阵的真实值。
图3-1牛顿-拉普森迭代示意
但是，纯粹的增量近似不可避免地要随着每一个载荷增量积累误差，导种结果最终失去平衡，产生非常大的误差。
ANSYS程序通过使用牛顿－拉普森平衡迭代克服了这种困难，它迫使在每一个载荷增量的末端解达到平衡收敛，在程序上的实现方法是利用切向刚度矩阵不断迭代调整当前刚度矩阵，将每一次迭代计算产生模型内力与外力相减，得到一个残余力的向量，并对这个向量求范数，这个范数就是迭代残差，迭代残差接近0，就代表这内力与外力平衡，此时刚度矩阵最接近于真实值。
在非线性仿真时经常遇到不收敛的情况，此时选择输出最近几步的牛顿残差，观察哪些部分牛顿迭代残差较大，就可以知道是哪里出现了问题，以修改模型。
关于接触刚度
有时不适合的接触刚度会导致迭代不收敛，如下图所示，在进行非线性求解时发生了不收敛，检查牛顿残差时发现在接触区域出现了较大的值，此时可以断定是接触出了问题，所以可以通过降低接触刚度来解决。
接触刚度的默认值为1，最小可以调到，而接触形式选择纯惩罚形式也会改善收敛性。
图3-2接触刚度过高
合理控制时间步与网格密度
在进行非线性仿真时还容易出现以下提示信息：
AnInternalSolutionMagnitudeLimitWasExceeded.或者Thesolverenginewasunabletoconvergeonasolutionforthenonlinearproblemasconstrained.出现这两种错误的原因有以下几种是采用了不适当的约束或者过大的载荷，在BGA分析中出现此类问题很可能是于在某些时间步中载荷变化过大，比如在温度上升下降的部分如果分的时间步长较大，就容易出现这种情况，这时可以在需要细化时间步的位置单独设置一个载荷步，在此载荷步内设置较多的时间步数就可以解决这个问题；另外如果在一些关键部位网格划分过于粗糙也会导致结果不收敛，此时需要考虑细化网格以改善收敛性。
建模错误导致的特殊情况
图3-3建模错误导致的特殊情况
在图3-3所示图中，给出了当迭代不收敛时的牛顿残差分布，发现在芯片上出现了较大的迭代残余力，一般来说应该是在芯片表面与塑封体的接触上出了问
题，但是经过检查后发现，导致结果不收敛的原因是模型存在错误：
焊球与PCB板在建模时于装配不当存在空隙，导致基板、芯片和塑封体“悬空”而自热膨胀。
所以当结果不收敛检查牛顿迭代残余力时要注意不一定是残余力大的部位导致不收敛，错误原因也可能出现在其他部位。
在本模型中，当去除了焊球与PCB板间的间隙之后，求解就收敛了。
BGA热疲劳仿真结果
塑封体内部芯片焊球图3-4BGA模型示意图
PCB基板焊球的Anand材料参数如前所述，其杨氏模量与泊松比定义为与温度相关的材料参数。
模型中其他材料参数如表3-1所示：
表3-1材料参数名称基板焊球上下铜垫片芯片塑封体PCB板杨氏模量泊松比221081312622 热膨胀系数 7E-6仿真的循环温度载荷如图3-5所示：
图3-5模型的循环温度载荷条件
仿真的总体位移与von-Mises应力结果如图3-6所示：
图3-6总体位移云图与von-Mises应力云图
从位移云图可以得知越远离芯片中心，基板、塑封体和焊球的位移越大，基板翘曲越厉害，此我们可以得知越远离芯片中心焊球的受力情况越恶劣，所以，从焊球阵列的角度来看，焊球阵列中首先出现热失效的焊球应该位于焊球阵列的外围。
从von-Mises应力云图来看，焊球上应力最大的部位位于焊球的顶端和低端，所以，从单个焊球的角度来看，焊球上首先出现裂纹的地方应该是在焊球与铜垫的结合部。
所以综合以上两点，在远离芯片中心的焊球的上下端是芯片热失效的危险部位，这与实验结果和他人仿真结果是一致的。
图3-7位移历史曲线
图3-7给出了模型的位移历史曲线，从图中可以看出，随着时间的推移、温度循环载荷的施加，在每一次循环中位移也出现了循环的现象，而且随着循环次数的增加，最大位移的峰值与谷值也在增加，这是于在一次次的循环过程中累积了粘塑性变形的结果。
位移有两部分组成：
弹性变形与粘塑性变形，弹性变形在每次循环中是固定的，而粘塑性变形是不断增加的。
相应的，我们可以得到每一次循环过程中的塑性应变，而根据塑性应变我们可以得到BGA的热疲劳寿命。
图3-8模型的塑性应变
图3-8给出了模型的塑性应变，图中只有焊球存在塑性应变，而其他部件没有显示，这是因为只有焊球定义了粘塑性材料，而其他部件只定义了弹性材料，所以没有塑性变形。
并且在图中可以观察到，最大的塑性应出现在焊球阵列外围的焊球的上下端，这就是热疲劳失效的危险部位，这与前面的结论是一致的。
图3-9Report中的塑性应变
图3-9给出了ANSYS自动生成的报告中塑性应变的历史数据，随着时间的推移，每个周期内的塑性应变范围会趋于稳定，而塑性应变范围正是预测热疲劳寿命的关键数据。
报告中给出了每个时间步的塑性应变的详细数据值，可以很方便的得到塑性应变范围。
在此要注意，科芬曼森疲劳寿命预测模型中要求给出的是剪切塑性应变范围，而此处求出的是塑性应变范围，需要做一下后处理。
最后根据科芬曼森疲劳寿命预测模型求出BGA的剪切塑性应变范围为，热疲劳寿命是767周，这比较接近中南大学林丹华的仿真结果，他是
在-55℃到125℃之间循环，他仿真的结果是剪切塑性应变范围为，寿命为744周。
我们计算的误差为%。
基板材料与PCB板材料的热配合对热寿命的影响
在能够预测BGA的疲劳寿命之后，所做的进一步工作是研究基板和PCB板的材料选择对焊球会产生什么样的影响。
限于时间原因，这一部分没有完全做完，但是也得到了一些有用的结论。
根据之前的仿真经验，可以假设基板与PCB板对焊球的影响主要取决于热配合，当基板与PCB板的热配合性较好时也就是热膨胀系数较为接近时，那么基板与PCB板在热膨胀时能够基本保持一致，使焊球受到的剪切力较小；另外当基板与PCB板的热膨胀系数都比较小时，也应该会减轻对焊球的剪切作用。
为了说明这个问题，在这次仿真中将基板与PCB板的材料都改为陶瓷，陶瓷相对于FR4有更小的热膨胀系数，并且基板与PCB板是同一种材料应该会减轻剪切效应。
最终仿真出来的剪切塑性变形范围为，热疲劳寿命为1023周，所以陶瓷对陶瓷较之前的FR4对FR4的热可靠性有了明显的提升。
详细温度场温度载荷的施加方法
图3-10详细温度场温度载荷的施加方法
可以在瞬态动力学分析之前加入一个瞬态传热学分析模块，这个模块是ANSYS通用传热分析中的一个模块，在这个模块中可以设置各个部件的导热系数、表面对流换热系数和表面发射率。
之后可以给芯片添加一个随时间变化的功率替
代之前的循环温度载荷，这样计算出的温度场就不只是时间的函数也是空间的函数即T=T，而之前的温度场是均匀的，作为温度载荷它仅仅是时间的函数，即T=T。
然后将瞬态传热学模块的求解结果导入到瞬态动力学模块中进行分析就可以了，其余的步骤与之前的均匀温度场求解是一样的。
需要注意的是，在workbench中要求瞬态传热学分析与瞬态动力学分析的总分析时间是一样的，否则将无法进行计算。
关于能否将icepak的结果导入到瞬态动力学分析之中还有待验证，理论上是没有问题的。
类似的BGA部件，完全可以采用图3-10中的办法，能够提高分析的精度，使模型更接近于真实。
4总结
通过本次学习：
了解了当前主流为电子封装形式；对粘塑性等非线性问题有了一定了解；
对电子封装热可靠性问题的分析过程、结果评估方法有了一定的了解；对于瞬态动力学分析有了更深入的学习；
对仿真过程中遇到的各种非线性不收敛的问题作了总结，对非线性诊断方法有了一定的认识；
通过仿真，对于BGA的热可靠性问题有了以下初步认识：
焊球阵列中最易出现热失效的位于阵列外围，即越远离芯片中心则越容易失效；焊球的顶端与底端是焊球最容易发生热失效的地方，综合最容易出现问题的位置是远离芯片中心的焊球的顶端或底端；
基板与PCB板的材料的选择对结果有重要影响，当基板与PCB板的热膨胀系数比较接近并且数值比较小时对焊球是有利的，推荐陶瓷基板配合陶瓷材料的PCB板。
20XX年7月28日徐太栋
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