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封面故事|西安电子科技大学智能仪器与封装测试重点实验室田文超教授团队:陶瓷柱栅阵列封装器件回流焊工艺仿真

已有 3152 次阅读 2021-12-16 14:57 |系统分类:论文交流


报道单位   西安电子科技大学智能仪器与封装测试重点实验室田文超教授团队

 封面文章  陶瓷柱栅阵列封装器件回流焊工艺仿真





中文引用格式:田文超, 史以凡, 辛菲, 等. 陶瓷柱栅阵列封装器件回流焊工艺仿真[J]. 电子与封装, 2021,21(11):110101.


编者按:

    陶瓷柱栅阵列封装是一种新型的封装形式,它在球栅阵列封装的基础上,将焊球替换为焊柱,以更多地吸收基板与印制电路板之间由热膨胀系数失配引起的应力。陶瓷柱栅阵列具有高可靠性,优良的电气和热性能等优点,常被用于航空航天领域。然而,在陶瓷柱栅阵列器件回流焊工艺中常存在焊接工艺难度大、容易出现焊点裂纹及虚焊等问题。编辑部特邀西安电子科技大学智能仪器与封装测试重点实验室田文超教授团队撰写《陶瓷柱栅阵列封装器件回流焊工艺仿真》。文章对陶瓷柱栅阵列封装器件的回流焊工艺进行仿真研究,分析了降温速率和印制电路板焊盘直径对焊接残余应力的影响,并通过参数优化选取较优的工艺参数组合,为陶瓷柱栅阵列封装器件的回流焊工艺提供了一定的理论指导。


1  背景介绍

随着集成电路的飞速发展和摩尔定律的不断突破,人们对器件的封装工艺提出了越来越高的要求。球栅阵列封装因具有引脚数多、集成度高、散热性能良好和稳定性高等优点,被广泛运用于生产实践中。陶瓷柱栅阵列封装是在球栅阵列封装的基础上,将焊球替换为焊柱,以更多地吸收基板与印制电路板之间由热膨胀系数失配引起的应力,陶瓷柱栅阵列封装如图1所示。陶瓷柱栅封装因具有高可靠性,优良的电气和热性能等优点,比球栅封装更可靠,可以承受压力、冲击和恶劣的操作环境,常被用于航空航天领域。

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图1  陶瓷柱栅阵列封装


2  陶瓷柱栅阵列封装

常见的陶瓷柱栅阵列封装有三种:普通Pb90Sn10焊柱,铜带缠绕型焊柱和微线圈型焊柱。三种焊柱如图2所示。


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图2  三种陶瓷柱栅阵列

焊柱的连接方式如图3所示,分为铸型柱、焊线柱和CLASP柱三种。


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图3 三种焊柱的连接方式

铸型柱:焊柱和焊膏均使用熔点高的高铅焊膏,采用高温焊接方法将陶瓷基板与焊柱固定,再利用熔点低的低铅焊膏将印制电路板与焊柱进行焊接,该方法能够在后期二次返修时保证焊柱的完整性,缺点是焊接温度很高,对芯片的可靠性提出了挑战。

焊线柱:采用低铅焊膏将焊柱与基板和印制电路板进行连接,焊柱使用的是熔点高的高铅焊柱,优点是焊接温度低,可以保证焊柱的完整性,缺点是二次返修时绝大多数焊柱会脱落。

CLASP柱:与焊线型生产工序类似,区别在于当基板与焊柱进行焊接时,在低铅焊膏中加入了少量Pd,焊接过程中Pd和Sn会形成金属化合物,从而提高焊点的熔点。可以保证焊柱完整性和二次返修的完整性,是目前最常用的焊柱焊接方法。


3  回流焊工艺

回流焊是将表面贴装元器件焊接到印制电路板上的一种软钎焊,通过回流炉内循环流动的气体产生高温,重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状焊料,实现表面贴装元器件焊端或引脚与印制电路板焊盘间机械与电气连接,回流焊工艺的主要表现形式为回流焊的温度曲线。但陶瓷柱栅阵列封装器件在回流焊工艺中存在着焊接工艺难度大、容易出现焊点裂纹、虚焊等问题。出现上述问题的很大一部分原因是基板和电路板热膨胀系数相差很大,在回流焊过程中会产生较大的应力,而结构参数和降温速率对其残余应力有较大的影响,因此对回流焊工艺进行优化是很有必要的。

如果通过具体的实验来优化回流焊工艺,会存在成本高、周期长和残余应力测量难度高的缺点,因此本文使用有限元仿真的方法来优化微线圈型陶瓷柱栅阵列器件的回流焊工艺,图4为微线圈型陶瓷柱栅阵列封装器件的模型爆炸图。

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图4  微线圈型陶瓷柱栅阵列封装器件模型爆炸图

本文研究了不同的回流焊降温速率和印制电路板焊盘尺寸对陶瓷柱栅阵列封装器件残余应力的影响,图5和图6显示了微线圈型陶瓷柱栅阵列器件在降温速率为1 ℃/s,PCB焊盘直径为0.80 mm的情况下进行回流焊工艺仿真后的残余应力云图。由图中可以看到模型的应力分布均匀且数值较小,最大残余应力位于基板边角焊柱位置处,最大残余应力为9.0675 MPa。

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图5 整体应力云图

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图6 整体应力云图侧视图

通过模拟CCGA回流焊工艺,得到了以下结论:

(1)在其他条件相同的情况下,降温速率越大,残余应力越大,但降温速率在1.00~2.50 ℃/s内变化时,最大残余应力变化不明显。

(2)在其他条件相同的情况下,PCB焊盘直径对焊接残余应力未呈现出规律性的影响趋势,当PCB焊盘直径为0.76 mm时,残余应力最小,为10.749 MPa。

通过参数优化试验得到了当PCB焊盘直径为0.76 mm并采用回流曲线3时,残余应力最小,残余应力为6.96 MPa。


4  总结与展望

陶瓷柱栅阵列封装器件因具有高密度输入/输出、高可靠性、优良的电气和热性能等优点,被广泛运用于航空航天领域和军事领域。虽然陶瓷柱栅阵列已经在很多领域广泛应用,但因为其高密度的输入/输出,给其回流焊接带来了很大的问题。本文研究了印制电路板焊盘尺寸和降温速率对焊接质量的影响规律,并通过参数优化选出了一种最优的参数组合来指导生产实践。但回流焊接质量会涉及很多因素,如焊膏种类、焊膏量、回流峰值温度和回流时间等,同时回流焊后续的加固工艺也对其可靠性有很大影响。相信通过研究人员的深入研究,能够使得陶瓷柱栅阵列封装器件可靠性得到进一步的提高。


关于我们

西安电子科技大学先进封装与高密度组装科研团队以田文超教授为学术带头人,并有曹艳荣副教授、王永坤副教授、时婧讲师、陈志强讲师、辛菲讲师、徐瀚洋博士6位教师及二十余位博士和硕士研究生。团队成员先后获得国家自然科学基金委、科技部、科工局、装备发展部、教育部、工信部、陕西省、西安市等省市部委以及中国电子、中国电科、航天科工、华为、中兴等众多企业合作项目共计70余项,出版专著4部,发表高水平论文200余篇,被SCI检索150余篇,授权发明专利30余项,并获得省级科技奖1项、省级双创奖2项。团队先后同广东气派成立“西电-气派集成电路封装测试重点前沿技术攻关实验室”,和佛山蓝箭成立“西电-蓝箭先进封装及高密度组装测试产教融合联合实验室”。

团队主要研究领域为:1)集成电路领域的功率器件、分立器件、异质集成、碳化硅和氮化镓等第三代半导体封装、高密度微系统模块、LTCC和HTCC等多层板的热分析、应力应变分析、信号完整性分析、振动冲击分析、蠕变及应力松弛分析、失效分析及寿命预测;2)3D叠层、晶圆级封装、倒装焊、扇出技术、TSV技术、转接板技术、SIP技术、微系统等先进封装、SMT组装技术的工艺分析和优化;3)陶瓷、塑封料、焊料焊膏等封装材料分析。

团队每年招收仪器科学与技术、机械工程专业博士和硕士研究生,欢迎对电子封装感兴趣的同学加入我们。

联系方式

邮箱:wctian@xidian.edu.cn

电话:029-88202954

地址:陕西省西安市太白南路2号西安电子科技大学,710071





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