基于圍壩膠BGA的三防涂層保護方法研究

杜映洪,文永森,劉勇,劉紹輝

摘要：三防漆是1種保護性化學(xué)材料，可作為薄層涂敷在印刷電路板（PCB）組件上，其作用是防止外部環(huán)境因素與電氣組件之間的相互影響。由于三防涂層具有與電子元件不同的材料熱力學(xué)性能，可能會在電路板上引起額外的機械應(yīng)力。介紹了一種圍壩膠和三防漆相結(jié)合的BGA封裝器件三防保護方法。基于有限元方法，評估了圍壩膠對BGA焊點熱疲勞可靠性的影響，并進行了材料參數(shù)影響分析。結(jié)果顯示，圍壩膠通過軸向變形和剪切變形2種機制影響焊點損傷。高熱膨脹系數(shù)（CTE）、低模量的圍壩膠對BGA焊點熱疲勞壽命沒有不利的影響，低CTE、高模量的圍壩膠有助于提高BGA焊點抗熱疲勞的能力；而采用高CET、高模量的圍壩膠會導(dǎo)致BGA焊點熱疲勞可靠性劣化。

關(guān)鍵詞：BGA三防；圍壩膠；熱疲勞可靠性

中圖分類號：TQ437+.6文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0029-05

Study on protection method of BGA triple-proof coating?based on dam encapsulant

DU Yinghong，WEN Yongsen，LIU Yong，LIU Shaohui

（China Key System & Integrated Circuit Co.，Ltd.，Wuxi 214072，Jiangsu China）

Abstract：Triple-proof coating is a protective chemical material that can be applied as a thin layer on printed circuit board（PCB） assemblies，and its role is to prevent the interaction between external environmental factors and electrical components.Due to the fact that triple-proof coatings have different thermo-mechanical properties as compared to electronic components，they may induce additional mechanical stresses on the circuit board.A method of triple protection for BGA package devices by combining a dam encapsulant and a triple-proof coating was presented.Based on the finite element analysis，effect of dam encapsulant on thermal fatigue reliability of BGA solder joints was evaluated，and the influence of the material parameters was analyzed.The results showed that the dam encapsulant affected the welded joint damage through two mechanisms：axial deformation and shear deformation.High coefficient of thermal expansion （CTE） and low modulus of dam encapsulanthad no adverse effect on thermal fatigue life of BGA solder joints.The low CTEhigh modulus materials helped to enhance the thermal fatigue resistance of BGA solder joints，while high CET high modulus materials led to the? deterioration effect on thermal fatigue reliability of BGA solder joints.

Key words：triple-proof of BGA;dam encapsulant;thermal fatigue reliability

長期處于極端環(huán)境（例如高溫、高濕、鹽霧等）中，或設(shè)備中的某些精密電氣元件對工作環(huán)境要求嚴苛，通常需要在印制電路板組件表面噴涂敷形涂料（俗稱三防漆），為印制電路板及電子元件提供防霉、防濕熱以及防鹽霧的保護。BGA器件由于其特殊的封裝結(jié)構(gòu)，不推薦實施常規(guī)的三防涂敷工藝[2]。除真空氣相沉積等成本昂貴的特殊工藝外，常規(guī)的噴涂工藝很難保證器件底部的焊點被三防漆材料完全覆蓋保護。采用較厚的三防漆涂敷層，讓三防漆材料完全填充器件與印制板之間的間隙會導(dǎo)致焊點的熱疲勞性能劣化。已有大量文獻記錄了各類三防漆涂層對BGA器件焊點可靠性的不利影響[3-6]。

針對三防漆涂層導(dǎo)致BGA焊點熱疲勞壽命降低的問題，介紹了一種圍壩膠和三防漆相結(jié)合的方法，基于有限元分析，進行了仿真驗證和材料參數(shù)影響分析。

1圍壩膠的保護方法

基于圍壩膠的三防保護方法，即在三防噴涂工藝實施前，在BGA器件四周施加具有很好的觸變性能的圍壩膠，施加后不會坍塌與擴散，UV或者加熱固化后形成一道屏障，可以防止后續(xù)三防噴涂工藝過程中，三防漆材料流入BGA底部，如圖1所示。

圍壩膠通常應(yīng)用于LED、光學(xué)傳感器、液晶顯示器等光電設(shè)備，作用是阻止液態(tài)粘結(jié)膠或灌封膠外流，以及固定和保護芯片免受環(huán)境溫度和濕度、外界機械振動、沖擊力的影響等。圍壩膠一般是單組分的有機粘合劑，要求具有優(yōu)良的粘接、固定和密封功能，主要材料包括環(huán)氧樹脂、改性環(huán)氧樹脂和有機硅材料。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的介電性能、粘接力強、機械強度高、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電力等領(lǐng)域[7-9]。但是由于環(huán)氧樹脂在固化交聯(lián)反應(yīng)過程中會產(chǎn)生固化內(nèi)應(yīng)力[10]以及其熱膨脹系數(shù)較高[11]與芯片或者基板不匹配。有機硅材料具有優(yōu)異的耐老化性能、良好的憎水性、非常低的內(nèi)應(yīng)力、良好的電氣絕緣性、耐冷熱沖擊等特點，其應(yīng)用越來越廣泛[15-16]。按其固化機理可分為加成型和縮合型2種，加成型硅橡膠具有硫化過程中無副產(chǎn)物、收縮率低以及能深層次固化等優(yōu)點。然而，有機硅在作為封裝材料使用時，存在粘接性較差，可能導(dǎo)致粘接失效，其氣體滲透性好，濕氣和氧氣容易透過封裝進入到器件內(nèi)部。

為了研究圍壩膠對BGA焊點熱疲勞可靠性的影響，選取了3種不同材料參數(shù)的圍壩膠進行有限元分析，材料參數(shù)如表1所示。材料A為單組分加成型有機硅，具有優(yōu)良的粘接、固定和密封功能，其模量小，熱膨脹系數(shù)高；材料B為單組份環(huán)氧膠，具有低線性熱膨脹系數(shù)、低吸濕特性；材料C為假設(shè)的虛擬材料，作為參照對比。

2有限元分析方法

2.1有限元模型建立

選擇1.00 mm節(jié)距PBGA256，焊球直徑Φ0.60 mm、外形尺寸為17.00 mm×17.00 mm封裝為研究對象。假設(shè)器件四周施加的圍壩膠不與焊球相互接觸，并忽略三防漆對器件封裝的影響。考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性，在ABAQUS有限元分析軟件中僅建立整體結(jié)構(gòu)的1/4有限元模型，采用ABAQUS子模型技術(shù)[19-20]進一步提高分析效率。有限元模型細節(jié)見圖2所示。

2.2焊料的本構(gòu)模型和材料參數(shù)

焊料在室溫環(huán)境中的歸一化溫度（實際服役環(huán)境的絕對溫度/熔點的絕對溫度值）已經(jīng)超過0.5，其蠕變變形不能忽略。本文選擇的焊點蠕變模型為基于雙曲正弦函數(shù)的Schubert模型[21]，具體形式如下：

εcr=A1·sinhn （ασ）·exp－ΔHRθ－θz（1）

式中：εcr為穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)變速率；σ為施加的應(yīng)力；θ為絕對溫度;z為絕對零度;R為氣體常數(shù)；A1、α、n、ΔH是與材料相關(guān)的參數(shù)。以有鉛Sn63 Pb37焊料為例，其分別為23 343 480 s-1、0.06 699 MPa、3.30、67 515 J/mol。

除焊點外的其他材料均假設(shè)為與溫度無關(guān)的線彈性材料，表2為有限元仿真使用的材料參數(shù)[22]。

2.3焊點熱疲勞壽命預(yù)測

加載周期性的溫度載荷曲線，溫度變化范圍為0～100 ℃，升降溫速率為13 ℃/min，高低溫駐留時間均為15 min。

采用基于體積平均的蠕變應(yīng)變能密度增量ΔWavg的方法預(yù)測焊點的疲勞壽命[22]。為了降低界面處網(wǎng)格劃分的影響，在焊料-焊盤的界面預(yù)先定義厚度為0.025 mm的分析單元，如圖2（d）所示。在分析單元厚度范圍內(nèi)計算平均的蠕變應(yīng)變能密度增量ΔWavg，計算公式：

ΔWavg=∑Ni=1ViWin-∑Ni=1ViWin-1∑Ni=1Vi? （2）

式中：Win為第i個單元經(jīng)歷n個熱循環(huán)后，該單元內(nèi)部累積的蠕變應(yīng)變能密度；N表示參與分析的單元總數(shù)量；Vi表示第i個單元的體積。焊點的熱疲勞壽命預(yù)測模型[21]：

Nf=210×ΔWavg-1.20 （3）

2.4收斂性研究

為了確定得到穩(wěn)定ΔWavg需要計算的熱循環(huán)次數(shù)，首先進行計算結(jié)果的收斂性研究。對不施加膠粘劑的模型加載8次溫度循環(huán)，每個循環(huán)內(nèi)增加的體積平均蠕變應(yīng)變能密度隨循環(huán)次數(shù)增加的變化情況如圖3所示。

由圖3可知，歷經(jīng)4個加載周期后，ΔWavg的值基本趨于穩(wěn)定。因此，在后續(xù)的分析中，計算的熱循環(huán)次數(shù)均為4次。

3分析與討論

3.1圍壩膠對焊點疲勞壽命的影響

以不施加圍壩膠的BGA封裝作為對照，分別對不點膠、點圍壩膠A、圍壩膠B、圍壩膠C的焊點壽命進行預(yù)測。在不點膠和點圍壩膠A、C的情形下，全局模型計算出的最容易發(fā)生疲勞失效的危險焊點位于陣列對角線上最外層的位置。而在施加圍壩膠B的情形下，危險焊點轉(zhuǎn)變?yōu)殛嚵袑蔷€上次外層的位置。運用子模型計算的單個循環(huán)內(nèi)，危險焊點焊料/焊盤界面累積的蠕變應(yīng)變能密度和預(yù)測的焊點疲勞壽命分別如圖4、圖5所示。蠕變應(yīng)變能密度可以作為評估焊點損傷程度的指標。

由圖4、圖5可知，施加高熱膨脹系數(shù)、低彈性模量的圍壩膠A的情形下，焊點累積的蠕變應(yīng)變能密度和不點膠的情況相當(dāng)，不會引發(fā)焊點熱疲勞壽命降低，且圍壩膠A較施加低熱膨脹系數(shù)、高彈性模量的圍壩膠B能提高焊點的熱疲勞壽命。施加高熱膨脹系數(shù)、高彈性模量的圍壩膠C會導(dǎo)致焊點的熱疲勞壽命降低。高可靠性的電子產(chǎn)品還考慮到返修工藝的難易程度，圍壩膠B添加了填充劑來降低其熱膨脹系數(shù)，但給返修帶來了困難。相對而言，圍壩膠A、C易于返修。

3.2材料參數(shù)影響分析

為深入理解圍壩膠影響焊點熱疲勞壽命的機理，對比分析了焊點的變形和受力情況。圖6顯示了高溫保溫階段，4種組裝狀態(tài)下組件的變形情況。

由圖6可知，在不施加圍壩膠的情況下，由于組件各部分熱膨脹系數(shù)的差異，導(dǎo)致基板發(fā)生翹曲，從而引發(fā)了焊點應(yīng)力。施加低熱膨脹系數(shù)的圍壩膠B可以有效緩解基板的翹曲，在配合高模量的情況下，效果更加顯著；基板和PCB的變形更加協(xié)同，降低了焊點的應(yīng)力水平。在施加高熱膨脹系數(shù)的粘結(jié)劑的情況下（A、C），對基板翹曲的影響取決于模量，高彈性模量（C）會嚴重加劇基板和PCB翹曲；低彈性模量（A）可以緩解和消除高熱膨脹系數(shù)的不利影響。

將器件對角線上焊點的變形分解為軸向變形和剪切變形2個分量，繪制結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7可知，施加圍壩膠都可以在一定程度上緩解焊點的軸向變形，即降低焊點中的軸向應(yīng)力，緩解的程度由熱膨脹系數(shù)和彈性模量共同決定。熱膨脹系數(shù)對軸向應(yīng)力的影響占主導(dǎo)作用，大模量則可以有利強化作用。

由圖8可知，圍壩膠的彈性模量對焊點的剪切變形的影響起主導(dǎo)作用，低的彈性模量（A）對焊點剪切變形幾乎沒有影響。圍壩膠B、C均增加了焊點的剪切變形，從而增大剪切應(yīng)力。

4結(jié)語

研究采用ABAQUS子模型技術(shù)驗證了基于圍壩膠的BGA三防保護方法，結(jié)果表明，選擇參數(shù)合理的圍壩膠不會導(dǎo)致BGA熱疲勞壽命降低。低熱膨脹系數(shù)、高彈性模量的環(huán)氧樹脂圍壩膠會提高BGA熱疲勞可靠性，但此類膠可能會給組件的返修造成困難，因此必須注意其可返修性。高熱膨脹系數(shù)、低彈性模型的有機硅樹脂圍壩膠往往易于返修，并且不會導(dǎo)致BGA熱疲勞可靠性下降。應(yīng)避免選擇高熱膨脹系數(shù)、高彈性模量的膠粘劑應(yīng)用于BGA器件的圍壩，其會嚴重劣化BGA焊點的熱疲勞性能。圍壩膠通過2種模式影響B(tài)GA焊點熱疲勞壽命，即：緩解焊點的軸向變形和增大焊點的剪切變形，緩解和增大的程度取決于圍壩膠的材料參數(shù)。

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