導讀

電子元器件在服役過程中因功率循環(huán)而承受熱循環(huán)載荷。由于焊點與封裝材料之間熱膨脹系數(shù)（CTE）差異，焊點易發(fā)生熱力疲勞并在界面處產(chǎn)生裂紋。SAC305焊點為以β-Sn為主的單晶或三晶結構（Beachball形態(tài)），表現(xiàn)出明顯的力學各向異性。本研究采用晶體塑性有限元方法，對PBGA封裝器件進行多尺度熱循環(huán)模擬，系統(tǒng)研究了晶體取向?qū)更c力學響應和疲勞壽命的影響規(guī)律。

研究概述

本研究來自天津大學化工學院陳剛教授團隊，發(fā)表于《Journal of Materials Research and Technology》期刊，研究采用熱力耦合晶體塑性模型，針對PBGA塑料球柵陣列封裝器件開展熱循環(huán)模擬分析，研究建立了宏-介觀多尺度模型：宏觀尺度采用Anand粘塑性本構模型進行整體封裝模擬，識別危險焊點；介觀尺度對危險焊點建立單晶和三晶子模型，深入分析晶體取向?qū)ψ冃涡袨楹推趬勖挠绊憽?/p>

實驗方法與核心發(fā)現(xiàn)

研究建立了1/4 PBGA封裝模型，包含PCB板、銅焊盤、SAC305焊球、BT基板、硅芯片和塑料密封層。整體模型采用Anand統(tǒng)一粘塑性本構關系描述焊點材料行為，子模型采用熱力耦合晶體塑性模型，考慮β-Sn的體心四方晶格結構和各向異性熱膨脹系數(shù)。熱循環(huán)條件參照IPC-SM-785標準，溫度范圍為-55~125°C，升降溫速率20°C/min，高低溫保溫各10min，周期38min，共模擬5個循環(huán)。

圖 1 五次循環(huán)的熱循環(huán)曲線

圖 2 PBGA封裝器件模型：（a）1/4模型；（b）局部焊球

1. 整體模型分析：識別危險焊點

模擬結果表明，最外層的9號焊球在熱循環(huán)過程中位移最大，是封裝的危險點。von Mises等效應力和應變能密度在焊球與焊盤結合界面邊緣處形成集中，且9號焊球上表面處數(shù)值最大，這與實驗觀察到的焊點疲勞失效位置一致。

圖 3 第五循環(huán)初始125°C時的結果。(a) Von Mises等效應力；(b) 最大Von Mises等效應力演化曲線；(c) 應變能量密度；（d）應變能密度演化曲線。

圖 4 局部焊球位移場：（a）125°C時平面內(nèi)Z方向；（b）125°C時平面外Y方向；（c）-55°C時平面內(nèi)Z方向；（d）-55°C時平面外Y方向

2. 單晶取向分析：c軸垂直基板疲勞壽命最長

對9號焊球建立了單晶Sn子模型，研究了三種特殊取向和兩種面內(nèi)取向梯度下的力學響應。結果表明：Von Mises等效應力方面，當c軸平行于X軸、Y軸和Z軸時，最大應力分別為24.67 MPa、22.47 MPa和32.65 MPa。c軸平行于Y軸（即垂直于基板）時應力最小，表明該取向下焊點更安全。

圖 5 三種取向焊球的累積應變能耗散圖：（a）c軸平行于X軸；（b）c軸平行于Y軸；（c）c軸平行于Z軸；（d）體平均應力演化曲線

圖 6 三種取向焊球的累積等效塑性應變云圖：（a）c軸平行于X軸；（b）c軸平行于Y軸；（c）c軸平行于Z軸；（d）體平均演化曲線

3. 取向梯度分析：c軸與基板夾角影響顯著

圖 7 a軸與XZ平面X軸不同角度的累積等效塑性應變：（a）云圖；（b）體平均演化曲線

圖 8 三種情況下各晶粒的累積等效塑性應變圖

研究表明，c軸與基板夾角越大，變形累積越快，疲勞壽命越短。當c軸垂直于基板時，面內(nèi)a軸與X軸夾角的影響較小，可忽略不計。

4. 三晶Beachball結構分析：取向分布影響變形行為

建立了三種典型三晶Beachball結構模型，分析了取向和分布對各晶粒累積剪切應變的影響。結果表明，滑移系組 #6和#4是主要變形源，滑移系組 #2最難被激活。取向分布對總剪切應變有顯著影響。

圖 9 各晶粒累積剪切應變演化曲線

圖 10 三種情況下每個顆粒所有滑移系的體積平均總累積剪應變演化曲線

5. 疲勞壽命預測：晶體塑性模型更準確

基于應變和能量兩種疲勞壽命模型的分析表明，整體宏觀模型由于忽略晶體各向異性，會過高或過低預測疲勞壽命。晶體塑性子模型能夠更準確反映不同取向焊點的疲勞壽命差異。

結論與工程啟示

本研究通過多尺度熱循環(huán)模擬，系統(tǒng)闡明了晶體取向?qū)AC305焊點力學響應和疲勞壽命的影響規(guī)律，得出以下主要結論：

1. 封裝器件的危險點為最外層9號焊球，該焊球與芯片側CTE差異最大，界面處應力集中最嚴重。

2. Sn晶體c軸垂直于基板時變形抗力最大，累積等效塑性應變和應變能密度累積最慢，疲勞壽命最長。

3. c軸與基板夾角越小，變形累積越快。當c軸平行于基板時，焊點變形最快，最先失效，疲勞壽命最短。c軸垂直于基板時，面內(nèi)a軸的影響較小，可忽略。

4. 建議在電子器件封裝工藝中，使焊點晶體c軸垂直于基板，以確保焊點具有良好的抗變形能力和潛在抗熱循環(huán)失效能力。

5. 在三晶模擬中，多晶取向和分布對熱循環(huán)下的變形和疲勞壽命有影響。封裝工藝中應盡量控制多晶c軸垂直于基板，以獲得更好的熱疲勞壽命。

該研究為電子封裝焊點的晶體學取向優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)，建議通過定向凝固等方法控制焊點晶體取向，提高封裝器件的熱疲勞可靠性。