銅柱柵陣列互連結構壓曲失穩(wěn)力學行為研究.pdf

1、隨著電子產品向體積微型化、功能多樣化的方向發(fā)展，對電子產品中封裝器件可靠性的要求不斷提高。目前，為應對產品高密度、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，為適應無鉛化發(fā)展趨勢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，國內外學者主要關注銅柱柵陣列互連結構在熱循環(huán)載荷作用下的可靠性，而對機械載荷作用下的力學行為研究較少。為全面考察多種載荷形式下形狀參數(shù)對銅柱柵陣列互連結構承載能力的影響，本文借助有限元仿真軟件MSC.Marc，結合非線性壓曲失穩(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柱長徑比、釬焊圓角高度以及焊盤中心距)對銅柱柵陣列互連結構承載能力的

3、影響，并對軸向壓力載荷作用下Cu焊柱的力學行為及其失效形式進行研究，得到如下結論:
　　1.壓曲失穩(wěn)前，Cu焊柱中Von Mises應力分布均勻且Cu柱處Von Mises應力明顯大于釬焊圓角處Von Mises應力。釬焊圓角處的Von Mises應力呈現(xiàn)出以Cu柱軸線為圓心并向外逐漸減小的變化趨勢;壓曲失穩(wěn)后，Cu柱與釬焊圓角中軸對稱的應力分布特征被打破。比較銅柱柵陣列互連結構中各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)變形方向具有隨機性的特點。
　　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，隨著Cu柱長徑比由5增加至16.5，銅柱柵陣列互結構的臨界載荷呈現(xiàn)降低的變化趨勢。采用擾動壓曲分析及弧長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）壓曲分析可知，長徑比為5～11.5的Cu焊柱壓曲失穩(wěn)前會因內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度的拉伸應力而首先引發(fā)局部微裂紋;

5、長徑比為11.5～16.5的Cu焊柱則會首先發(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柱長徑比和銅柱柵陣列互連結構臨界應力的關系方程:軸向臨界壓應力值在5～11.5長徑比范圍內幾乎保持恒定，而在11.5～16.5長徑比范圍內則隨Cu柱長徑比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行為的歐拉公式相符合。
　　3.當Cu柱長徑比為10時，隨著釬焊圓角高度的增加，銅柱