BGA封装面临的主要技术瓶颈及可靠性

随着时代的进步，微电子产品向便携化、小型化和高性能方向发展，BGA（Ball Grid Array）封装已成为最先进的封装技术之一。然而，BGA封装面临的主要技术瓶颈在于电子产品的使用过程中，芯片会产生很多的热量，使得封装系统组件温度升高；由于封装材料的膨胀系数不同，温差变化会使得封装整体受到热应力冲击。在封装整体焊点的强度较低时，不断的热应力冲击会使焊点产生裂纹，久而久之会导致封装整体失效。此外，随着便携式电子产品的不断普及，BGA互连焊点将承受高的应变速率损伤（如跌落损伤），这也造成了新的焊点失效模式。

小编认为，针对简化的BGA封装体结构（主要包括芯片、Sn-3.0Ag-0.5Cu焊球以及基板等），利用有限元法对其温度场、热应力应变以及不同剪切速率下的剪切行为进行了模拟分析，也可进行相关的实验验证，从而为BGA封装体因温度、热应力、疲劳以及振动冲击所产生的诸多问题以及电子产品的可靠性分析提供了理论基础和实验数据。

在温度场分析方面，对焊球分别通入电流（I_1=0.5A、I_2=1.5A、I_3=2.5A）后，模拟和实验结果均表明，BGA封装焊点两侧的芯片端和基板端的温度都随着加载电流的增大而增大，并且满足抛物线规律；在假设芯片为唯一发热源（功率大小为0.1W）并考虑整个封装体内部以及与外界的热传导和对流的条件下，3-D与2-DBGA封装温度场模拟结果均表明：焊球的温度较高，基本和芯片的温度相接近，基板的温度较低，这是由于基板的导热系数与芯片和焊球相差太大的缘故。在热应力分析方面，不论在稳态温度场还是热循环条件（-40～125℃）下，BGA封装整体尤其是焊球内都有大的位移变化以及应力应变集中，这主要是由于封装体内各组件材料热膨胀系数不匹配的缘故。根据Coffin-Manson方程，温度循环条件下的Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊球的最短热疲劳寿命约为704cycles。

利用SEM观察分析了不同时效时间时的界面IMC的厚度及形态，并在不同剪切速率下（≤10mm/s）对BGA球进行剪切性能测试和模拟。实验结果表明，随着时效时间的延长，Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu界面IMC的厚度不断增加，界面形貌由时效前的贝状变为连续平坦的层状，焊球的剪切强度逐渐减小；随着剪切速率的增加，焊球的剪切强度增大，并且随着剪切高度的增加，焊球的剪切强度减小。

封装可靠性评价是鉴定需要重点考核的工作项目。新型封装应用于型号整机前，其可靠性应针对应用的环境特点以及整机对可靠性的要求进行评价和验证。如标准JEDEC-JEP150是从器件级和器件装联后两个层级，主要通过HAST和其它试验项目实现对smt贴装器件封装的可靠性评价。

同样，对于集成电路封装的可靠性评价，也需要从器件封装自身和装联后器件可靠性两个维度开展。器件封装自身的评价，主要应从封装的设计、结构、材料和工艺等方面进行检测评价和计算机仿真分析；而器件装联后的封装可靠性评价，主要通过在环境、机械等应力作用下和计算机仿真分析来评价整机的可靠性。同时，不同封装对电装工艺的需求也不尽相同，smt贴片打样厂商需要根据封装结构的特点，进行装联工艺的适应性分析。

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