釬料球激光重熔溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

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1、第22卷第2期焊接學(xué)報(bào)Vol.22No.22001年4月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONApril2001釬料球激光重熔溫度場(chǎng)數(shù)值模擬田艷紅,王春青(哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱150001)摘要:對(duì)PBGA封裝制造時(shí)釬料球的激光重熔過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,考察了多點(diǎn)和掃描兩種激光加熱方式對(duì)溫度場(chǎng)的影響。計(jì)算結(jié)果表明,與紅外、熱風(fēng)等傳統(tǒng)重熔方法相比,激光重熔具有加熱時(shí)間短、封裝內(nèi)部溫升低的特點(diǎn),不會(huì)對(duì)內(nèi)部芯片及連接造成損害。同時(shí),本文還對(duì)PBGA釬料球激光重熔進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,在合適的規(guī)范下,重熔后

2、形成的釬料凸點(diǎn)表面質(zhì)量也優(yōu)于前者。關(guān)鍵詞:PBGA封裝;激光重熔;釬料球;釬料凸點(diǎn)中圖分類號(hào):TG402文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0253-360X(2001)02-75-04田艷紅0序言過(guò)程對(duì)封裝的影響,為相關(guān)設(shè)備研制和工藝技術(shù)的制定奠定基礎(chǔ),本文對(duì)塑料球柵陣列PBGA釬料球塑料球柵陣列(PBGA-PlasticBallGridArray)激光重熔過(guò)程中溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,計(jì)算封裝是BGA的形式之一,其基板(Substrate)采用采用MSC.MARC/MENTAT軟件。為了驗(yàn)證數(shù)值BT樹脂或聚酰亞氨(PI),釬料球(Solderball)組成模擬的結(jié)果,本文對(duì)PBGA釬料球激光重熔進(jìn)

3、行了為共晶釬料63Sn/37Pb或62Sn/36Pb/2Ag,目前釬試驗(yàn)研究。料球直徑分為0.76mm、0.5mm和0.3mm幾種,間距一般為1.5mm、1.27mm和1mm。圖1為PBGA封裝結(jié)構(gòu)示意圖。封裝時(shí)首先采用導(dǎo)電的芯片粘接劑將Si芯片與BT樹脂基板粘接起來(lái)。為了保護(hù)芯片不受損壞,采用模壓化合物對(duì)芯片進(jìn)行密封,最后將共晶釬料球與基板上的Cu焊盤圖1PBGA封裝器件截面圖(Pad)連接起來(lái)形成釬料凸點(diǎn)(Solderbump),這些Fig.1CrosssectionofPBGApackage以陣列方式排列的釬料凸點(diǎn)即為PBGA封裝器件的I/O引腳。1激光重熔有限元分析模型將共晶釬料球加

4、熱熔化并與基板焊盤連接起來(lái)形成釬料凸點(diǎn)的過(guò)程稱為重熔(Reflow),目前PB-1.1幾何模型GA釬料球重熔多采用熱風(fēng)、紅外等加熱方法。熱為簡(jiǎn)化問(wèn)題的求解,本文忽略了焊盤、芯片粘接風(fēng)和紅外等重熔方法工藝較為成熟,但卻存在著加劑的影響,并假設(shè)各部位間結(jié)合良好。模型包括熱時(shí)間長(zhǎng)、釬料球易偏離焊盤以及表面易氧化等缺63Sn/37Pb共晶釬料球、BT樹脂基板、芯片及模壓點(diǎn)。由于激光具有能量密度高、加熱速度快以及可化合物等部分,圖2為PBGA封裝結(jié)構(gòu)幾何模型。進(jìn)行局部加熱的優(yōu)點(diǎn),因此嘗試采用激光對(duì)釬料球其中釬料球直徑為0.76mm;間距為1.27mm;進(jìn)行重熔受到了電子行業(yè)制造廠家的重視。所謂激BT基

5、板厚度為0.5mm;芯片尺寸為2mm×2mm光重熔包括釬料小球熔化、與基板上焊盤相互作用、×0.5mm;模壓化合物的高度為0.8mm。為了使凝固并形成連接的過(guò)程。釬料球重熔過(guò)程中既要使內(nèi)部芯片清晰可見,將部分單元進(jìn)行了透視處理,見釬料球完全重熔與焊盤實(shí)現(xiàn)良好結(jié)合,又要防止基圖2b。由于四面體網(wǎng)格對(duì)復(fù)雜形狀有較好的適應(yīng)板表面和芯片內(nèi)部溫度過(guò)高而造成封裝器件損壞,性,并且四面體等參元在處理非線性問(wèn)題時(shí)具有較因此釬料球激光重熔過(guò)程中溫度場(chǎng)控制極為重快的收斂性。基于這種考慮對(duì)PBGA器件進(jìn)行了[1]要。為了詳細(xì)了解激光重熔過(guò)程的機(jī)理和重熔四面體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格部分如圖2所示,該模型共有收稿日期:200

6、0-09-113209個(gè)節(jié)點(diǎn),13689個(gè)單元。76焊接學(xué)報(bào)第22卷Tλ=-(hc+hr)(T-T0)+q(x,y),(3)z封裝體其它表面Tλ=-(hc+hr)(T-T0),(4)nT式中:為溫度沿封裝體外法線的變化率;hc為n對(duì)流換熱系數(shù);hr為輻射換熱系數(shù);T0為環(huán)境溫度。1.4材料熱物理性能假定材料熱物理性能與溫度無(wú)關(guān),封裝體的初始溫度為20℃,各種材料的熱物理性能見表1。表1各種材料的熱物理性能Table1PhysicalpropertiesofmaterialsDensityKCpMaterialsρ/(kg·m-3)/(W·m-1·℃-1)/(J·kg-1·℃-1)Solder

7、ball842050176BTsubstrate18000.31570Sichip2330150699Mounding1820651200compound1.5激光加熱方式圖2PBGA有限元模型為優(yōu)化激光重熔工藝參數(shù),尋找最佳的激光加Fig.2FiniteelementmodelofthePBGA熱方式從而提高封裝效率,本文對(duì)兩種激光加熱方式進(jìn)行了模擬。一種為激光同時(shí)對(duì)所有釬料球進(jìn)行1.2數(shù)學(xué)模型加熱;另一種