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1、隨著電子產(chǎn)品向體積微型化、功能多樣化的方向發(fā)展,對(duì)電子產(chǎn)品中封裝器件可靠性的要求不斷提高。目前,為應(yīng)對(duì)產(chǎn)品高密度、微型化需求而提出的球柵陣列(Ball Grid Array-BGA)封裝器件的可靠性還明顯低于周邊引腳器件,IBM公司開發(fā)的柱柵陣列(Ceramic Column Grid Array-CCGA)封裝器件的可靠性較BGA封裝器件有顯著增加,為適應(yīng)無鉛化發(fā)展趨勢(shì)而采用銅柱代替釬料柱,從而形成銅柱柵陣列(Copper Colum
2、n Grid Array-CuCGA)封裝器件。
近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注銅柱柵陣列互連結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)載荷作用下的可靠性,而對(duì)機(jī)械載荷作用下的力學(xué)行為研究較少。為全面考察多種載荷形式下形狀參數(shù)對(duì)銅柱柵陣列互連結(jié)構(gòu)承載能力的影響,本文借助有限元仿真軟件MSC.Marc,結(jié)合非線性壓曲失穩(wěn)理論,通過展現(xiàn)銅柱柵陣列互連器件中Cu焊柱的壓曲失穩(wěn)過程,考察形狀參數(shù)(Cu柱長(zhǎng)徑比、釬焊圓角高度以及焊盤中心距)對(duì)銅柱柵陣列互連結(jié)構(gòu)承載能力的
3、影響,并對(duì)軸向壓力載荷作用下Cu焊柱的力學(xué)行為及其失效形式進(jìn)行研究,得到如下結(jié)論:
1.壓曲失穩(wěn)前,Cu焊柱中Von Mises應(yīng)力分布均勻且Cu柱處Von Mises應(yīng)力明顯大于釬焊圓角處Von Mises應(yīng)力。釬焊圓角處的Von Mises應(yīng)力呈現(xiàn)出以Cu柱軸線為圓心并向外逐漸減小的變化趨勢(shì);壓曲失穩(wěn)后,Cu柱與釬焊圓角中軸對(duì)稱的應(yīng)力分布特征被打破。比較銅柱柵陣列互連結(jié)構(gòu)中各Cu焊柱的變形情況,可以看出Cu焊柱彎曲方向不同
4、,表明失穩(wěn)變形方向具有隨機(jī)性的特點(diǎn)。
2.釬焊圓角高度為0.33 mm,Cu焊盤直徑為1.0 mm,Cu直徑為0.32 mm時(shí),隨著Cu柱長(zhǎng)徑比由5增加至16.5,銅柱柵陣列互結(jié)構(gòu)的臨界載荷呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)。采用擾動(dòng)壓曲分析及弧長(zhǎng)法壓曲分析理論所得到的臨界載荷差異很小。由非線性(擾動(dòng))壓曲分析可知,長(zhǎng)徑比為5~11.5的Cu焊柱壓曲失穩(wěn)前會(huì)因內(nèi)部性能薄弱的釬焊圓角的局部區(qū)域存在超過釬料極限強(qiáng)度的拉伸應(yīng)力而首先引發(fā)局部微裂紋;
5、長(zhǎng)徑比為11.5~16.5的Cu焊柱則會(huì)首先發(fā)生壓曲失穩(wěn)失效。綜合考慮釬焊圓角局部微裂紋可靠性隱患和Cu焊柱壓曲失穩(wěn)失效,建立Cu柱長(zhǎng)徑比和銅柱柵陣列互連結(jié)構(gòu)臨界應(yīng)力的關(guān)系方程:軸向臨界壓應(yīng)力值在5~11.5長(zhǎng)徑比范圍內(nèi)幾乎保持恒定,而在11.5~16.5長(zhǎng)徑比范圍內(nèi)則隨Cu柱長(zhǎng)徑比λ0增加以正比于λ0-2的規(guī)律降低,該變化規(guī)律與描述大柔度壓桿力學(xué)行為的歐拉公式相符合。
3.當(dāng)Cu柱長(zhǎng)徑比為10時(shí),隨著釬焊圓角高度的增加,銅柱
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