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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。