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1、1.1 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
2、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)、引线的球栅阵列(BGA)封装及壳系统封装(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，由于BGA的开发成功而终于能够适应芯片发展的
3、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（DCA)、晶圆规模集成技术(WSI)等。其中，CSP主要是由BGA向小型化、薄型化方向发展而形成的一类崭新的封装形式。1.2 电子封装分级从一个晶体管到几个集成电路板，电子封装技术可以分为以下五级：(1)零级封装。包括芯片粘接和芯片互连技术。芯片粘接只需将芯片固定安装在基板上，方法有Au-Si合金共熔法、Pb-Sn合金片焊接法、导电胶粘接法、
4、有机树脂基粘接法；芯片互连技术包括引线键合(Wire Bonding)、载带自动焊(Tape Automated Bonding)和倒装焊腰（Flip Chip Bonding)-种。(2)一级封装。它是将一个或多个IC芯片用适宜的材料(金属、陶瓷、塑料或它们的组合)封装起来，同时在芯片的焊区与封装的外引脚间用上述三种芯片互连方法连接起来，使之成为有实用功能的电子元器件或组件。该级封装包括封装外壳制作在的单芯片组件(SCM)和多芯片组（MCM)两大类，在各个不同的发展时期都有相应的封装形式(3)二级封装。这一级封装实际上是组装，即将上一级各种微电子封装产品、各类元器件及板上芯片(Chip On
5、 Broad)-同安装到PWB或其他基板上。该级组装技术包括通孔安装技术(THT)、表面安装技术（SMT）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，是由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平面实现的二维(2D)封装。由于电子产品小型化、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
6、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。2.1 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(Plastic Ball Grid Array
7、，简称PBGA)、陶瓷球栅阵列(Ceramic Ball Grid Array，简称CBGA)、陶瓷柱栅阵列(Ceramic Column Grid Array，简称CCGA)、载带自动键合球珊阵列(Tape Automatic Ball Grid Array，简称TBGA)。BGA焊球直径有0.89mm和0.76mm等多种，间距通常由1.27mm和1.Omm。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；4BGA适合MCM的封装需
8、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：2BGA的返修需要专用设备；3BGA的可靠性问题。2.2.1 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(Pin Grid Array)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
9、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(Ceramic Column Grid Array， CCGA)。图2-1 典型CBGA结构示意图2.2.2 PBGA由于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(Solder ball)组成为共晶钎科63Sn37Pb或62Sn36Pb2Ag，目前钎料球直径分为0.76mm、0.5mm和0.3mm几种，间距一般为1.5mm、1.27mm和1mm。早在
10、1989年，Motorola公司就由类似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(Solder bump)，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。2.3.1 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
11、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容，已经提出
12、了多种寿命预测模型，如基于应变围的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
13、：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，它考虑材料部状态变化对形变的影响，导致在本构方程中引入部变量，并用准确的演化方程描述部变量。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。由于Anand
14、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，因此本文采用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变量描述材料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)采用单一部变量描述材料部状态对非弹性流动的阻抗。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
15、历史效应、应变硬化和动态回复等特征。在ANSYSWorkbench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)h0(MPa)ms(MPa)na56.33108301.49E7112640.750.30380.4150.02311.34表2-1 63Sn37Pb由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
16、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Transient Structural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2.3.2 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
