CCGA 和 CBGA 结构可靠性的数值模拟在电子封装中焊点的疲劳寿命的预测我们通常采用有限元模拟与数据分析 相结合的方法[3]。很多关于 CCGA 和 CBGA 结构在热循环条件下的力学行为的 文献都是通过有限元来进行模拟。同时还通过选用不同参数来分析结构可靠性。73871

CCGA 和 CBGA 一样属于高互联密度封装结构，因此结构相对复杂，在分 析之前要对其进行简化。在对 CBGA 的研究上国外有不少成果，Jiao[4]一行人对 整体 CBGA 进行了二维模拟分析，对单个焊球进行了三维模模拟分析。通过二 维模型的分析研究得出焊球在热循环条件下的应力应变分布规律，得知边缘的焊 球最容易失效；在研究单个焊球时，通过带入不同参数分析焊球的应力应变以及 蠕变，在众多参数中比较分析从而得出了最有参数。不仅如此，对 CBGA 二维 模型进行模拟分析的还有 Deletage[5]等人，他们在模拟分析 CBGA 二维模型的基础上，好做了大量实验，通过实验发现焊球位置到焊球阵列中心的距离也是一个 重要的研究因素，还有一个重要的影响焊球应力应变的因素就是热膨胀系数,在 一个结构系统中，如果使用的基板和芯片的热膨胀系数不同也可能会对应力应变 的分布起到很大的影响。Biswas[6,7]在研究无铅钎料的 CBGA 的结构的可靠性的 时候，只选用了整个模型中的一列焊球进行研究，这样能够避免因焊球阵列的不 同而对整体研究的影响，模拟结果发现这样的方式确实有效，与实验所得到的结 果基本差不多。Vandevelde 等人[8]为了简化 CBGA 的三维建模，他们将粗细网格 结合于一体，这样就能够有效地减少三维建模的工作强度。他们将原先使用的焊 球去掉，使用等柱状体充当焊点，同时将网格的粗细加粗。由于三维模型中的模 型的拐角处的应力比较大，在建模时他们将边角的形状用实际形状来建模，并且 将这一部分的的网格变细，利用这种方法，他们成功地将少了三维建模中的整体 网格的数量。因为他们的三维模拟的模型时前后左右镜像的，所以他们在建模时 只是建立了一个 1/8 的简易模型，见图 1-1 。这个模型是三维立体模型，更加 准确地将焊球阵列的应力应变的分布的规律显示了出来。论文网

简化的 CBGA 网格模型

Teng 等人[9-12]使用相似的模型分析了 CBGA 和 CCGA 结构的热循环疲劳寿 命在不同基板材料及结构参数下的差异，通过不断地模拟分析发现陶瓷材料的热 膨胀性能非常好，十分适合作为基板的材料，使用这种材料能够将 CBGA 和 CCGA 结构的可靠性大大提高，对影响结构的可靠性因素做了更加深入的研究分 析。Perkins 等人[13]认为可以对影响疲劳寿命的结构参数做一些调整，因为有一 些特定的 CBGA 结构不能使用一般的结构参数，可以采用一些对疲劳寿命影响

比较大的参数。利用有限元分析及经典热循环疲劳寿命预测方程，来建立焊点疲 劳寿命与各结构参数之间的回归模型，这样我们就可以通过使用这个回归模型对 CBGA 结构设计时的结构寿命进行计算。

2 CCGA 封装工艺现状

就目前而言，CCGA 的焊柱结构有三种类型[14,15]。第一种是铸柱型（Cast Column），如图 1-2-a 所示。首先，利用高温将 Pb90Sn10 的焊料熔融，选择合适 的陶瓷基板然后将熔融的焊料熔铸到基板上，然后再选用一个合适的 PCB 板， 将焊料再利用 Pb37Sn63 的共晶焊膏联结到 PCB 板上面。焊柱与陶瓷基板的连接 处的共晶焊膏在返修的时候那种非常高的高温下不会被剥落，使返修的工作量变 得轻松很多；第二种类型是焊线柱（Wire Column），如图 1-2-b 所示，焊柱和陶 瓷载体的联结；焊柱与 PCB 面板的联结的焊接处都使用了一种叫 Pb37Sn63 的共 晶焊膏。虽然这种工艺可以将焊柱方便地焊接到上下两个面板上，但是它却有一 个明显的缺点，就是在返修的时候，由于应力作用焊柱与基板之间的连接强度可 能不够，导致焊柱留在 PCB 板上。最后一种形式就是 CLASP 柱状结构（Column Last Attach Process），如图 1-2-c 所示，研究人员将 Pb37Sn63 共晶焊膏中添加了 少量的 Pd 生成 Pd-Sn 金属化合物以此来提高焊膏的熔点，使用这种熔点比较高 的焊膏来将焊柱与陶瓷基板的连接到一起，它的熔点很高，能够达到 280℃左右， 这样就能够保证焊柱在返修时中不会脱落。