低CTE基板與BGA封裝的匹配設計
一、熱應力計算
在BGA封裝中,基板與塑封材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配會導致熱應力。陶瓷基板的CTE為6 ppm/℃,而塑封BGA的CTE為15 ppm/℃。這種差異在溫度變化時會導致顯著的熱應力。
熱應力計算公式
應力分布特征
在熱循環(huán)載荷下,BGA焊點的應力分布特征表明,邊角焊點最先失效。有限元分析顯示,焊點的應力與應變分布不均勻,邊角焊點承受的應力最大。
二、焊球陣列布局優(yōu)化建議
1. 增加支撐焊球
在BGA陣列中增加支撐焊球,可以有效減小芯片在工作過程中的翹曲。支撐焊球僅起加固作用,不用于電連接。
2. 優(yōu)化焊盤尺寸
通過改變下焊盤的尺寸,可以調整焊點的形態(tài),從而優(yōu)化焊點的可靠性。研究表明,下焊盤尺寸的增加可以減小焊點的高度,但會增加焊點的外徑。
3. 優(yōu)化焊點布局
優(yōu)化焊點的布局,特別是在邊角區(qū)域增加焊點密度,可以有效減小邊角焊點的應力集中。有限元分析表明,優(yōu)化后的焊點布局可以顯著降低熱疲勞壽命。
4. 使用低CTE材料
選擇低CTE的材料,如金屬芯板或Kevlar層壓板,可以減少熱應力。這些材料的CTE值較低,能夠更好地匹配硅芯片的CTE,從而提高封裝的可靠性。
5. 緩沖結構設計
在設計中采用緩沖結構或柔性連接,可以緩解CTE不匹配帶來的應力。例如,在基板與芯片之間增加一層熱膨脹系數(shù)介于兩者之間的材料作為過渡。
三、結論
在BGA封裝設計中,低CTE基板與塑封材料的CTE不匹配會導致顯著的熱應力。通過增加支撐焊球、優(yōu)化焊盤尺寸和焊點布局、使用低CTE材料以及設計緩沖結構,可以有效減小熱應力,提高封裝的可靠性和壽命。這些優(yōu)化措施在工程實踐中具有重要的實用價值。
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