CuCGA互连焊点电流承载能力的研究

发布时间：2017-08-01 22:17

  本文关键词：CuCGA互连焊点电流承载能力的研究

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【摘要】：提高面阵列封装器件的可靠性,无论是对于目前高密度的器件封装,还是对于未来力学、电学和热力学负荷逐渐增大的高频率、高功率、高I/O的大芯片封装,以及高可靠性要求的航空航天、汽车、军用电子产品和长服役寿命要求的电信装备而言,都是十分重要的。面阵列封装主要分为球栅阵列BGA(Ball Grid Array)和柱栅阵列CGA(Column Grid Array)。同时随着无铅化的发展,CuCGA(Cooper Column Grid Array)逐步取代CCGA(Ceramic Column Grid Array)。CuCGA对于BGA封装来说可以更大程度的提高封装密度、更好的力学可靠性、更好的散热。但是随之而来的问题是由于尺寸快速减小,电流密度的集中程度越来越高而导致的电迁移和热迁移产生了。所以研究CuCGA互连中的电流承载能力不可或缺。为提高CuCGA微互连焊点接头的力学可靠性,对其做了优化的柔性设计。为了完善其可靠性研究内容,本文从提高电迁移抗性和热迁移抗性的角度对优化后的CuCGA互连焊点进行了研究,主要通过研究不同铜柱尺寸、不同钎焊圆角角度和不同布线尺寸的焊点中的电流密度和温度分布,确定尺寸因素对焊点中电流密度和温度分布的影响,进而提高CuCGA焊点的电流承载能力。通过有限元软件MSC.MARC模拟了BGA焊点、传统CuCGA焊点和进行结构优化后的CuCGA焊点在通电情况下的温度分布和电流密度分布,BGA焊点中电流密度与温度的分布趋势一致,电流密度的峰值点与温度峰值点出现在同一个位置;而CuCGA焊点中的电流密度与温度分布则不一致,电流密度峰值点出现在钎焊圆角与布线的连接处,温度峰值则出现在铜柱中。随着铜柱的D2/l减小,传统和优化CuCGA钎焊圆角电流密度峰值有所上升,而温度峰值未呈现明显规律性变化;随着钎焊圆角α减小,传统和优化后的CuCGA焊点中钎焊圆角中的温度峰值基本上保持不变,而钎焊圆角处的电流密度峰值则随钎焊圆角角度α的减小而减小;随着布线宽度B减小,钎焊圆角中温度与电流密度峰值均升高;相同焊点尺寸参数下,优化后的CuCGA焊点中的电流密度和温度峰值较传统的CuCGA中均有所下降。另外本文还通过BGA焊点与CuCGA焊点的电迁移试验判定了相同焊盘尺寸下二者抗电迁移与热迁移的能力。在相同的服役条件下,CuCGA焊点的界面IMC厚度变化与BGA焊点的界面IMC均呈现极性效应,而且大致满足抛物线规律;CuCGA的阳极界面IMC生成速度要大于BGA阳极的界面IMC生成速度,CuCGA的阴极界面IMC溶解速度也大于BGA阴极的界面IMC溶解速度,200 h后CuCGA焊点中阴极与阳极的IMC层厚度差值为5.3μm,BGA焊点中IMC差值为2.61μm。故可以判定CuCGA焊点的抵抗电迁移和热迁移能力弱于BGA焊点,同时也验证了模拟的结果的正确性。
【关键词】：CuCGA 可靠性 电流承载能力 极性效应
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN405
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 课题研究背景11-12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.2.1 BGA封装与CuCGA封装的力学可靠性12-14
• 1.2.2 电迁移现象14-17
• 1.3 课题来源及选题意义17
• 1.4 主要研究内容17-19
• 第2章 BGA和CuCGA模型的建立19-26
• 2.1 数值建模理论基础19-20
• 2.1.1 焊点通电时的焦耳热效应及热传导19-20
• 2.1.2 空气与焊点表面的热对流20
• 2.2 有限元模型的建立20-25
• 2.2.1 模型尺寸确定与网格划分20-23
• 2.2.2 材料特性23-24
• 2.2.3 边界条件加载24-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 焊点尺寸对电流密度和温度的影响26-48
• 3.1 BGA与传统CuCGA互连的温度和电流密度分布26-28
• 3.1.1 BGA互连的结果分析26-27
• 3.1.2 传统CuCGA互连的结果分析27-28
• 3.2 铜焊柱形状参数对CuCGA焊点中温度和电流密度分布的影响28-38
• 3.3 不同布线宽度对CuCGA焊点中温度和电流分布的影响38-42
• 3.4 不同钎焊圆角角度α对CuCGA焊点中温度和电流密度分布的影响42-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第4章 BGA和CuCGA的电迁移研究48-57
• 4.1 试样的制备与电迁移试验48-51
• 4.1.1 试样尺寸设计48
• 4.1.2 试样的制备48-50
• 4.1.3 电迁移试验50-51
• 4.2 室温电迁移试验结果分析51-56
• 4.3 本章小结56-57
• 结论57-58
• 参考文献58-62
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文62-63
• 致谢63

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1 葛琪;CuCGA互连焊点电流承载能力的研究[D];哈尔滨理工大学;2016年

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本文编号：606457