铜柱栅阵列互连结构的剪切行为

鉴于柔性铜柱与钎料球显著的性能差异,采用试验和数值模拟方法研究了铜柱栅阵列互连结构的剪切行为.结果表明,与焊球抛物线形的剪切曲线相比,阵列铜柱互连剪切曲线呈现不同的新特征,随剪切位移增加,剪切力首先呈大斜率的线性增加;随后由于焊柱开始挠曲变形,位移增加引起的应力增加被部分释放,故剪切力呈小斜率的线性增加;最后阶段,与BGA焊球相同,剪切力呈抛物线形变化,并在钎料/铜柱界面拉脱断裂.第一、二阶段曲线斜率均随铜柱长径比的增加和铜焊柱刚度的降低而减小.

柱栅阵列的无铅卡组装和返修

IBM已将铜柱栅阵列(CuCGA)互连用作为陶瓷柱栅阵列(CCGA)上锡铅焊料柱的无铅替代品(见图1)。像CCGA一样，CuCGA提供一种高可靠性封装解决方案，可以使用具有优良的电性能和热性能的陶瓷芯片载体。取消铅在微电子封装中的应用的行动增加了大尺寸、高I／O封装的制造复杂性。与新型封装互连结构的开发一致的可制造卡组装和返工工艺的开发对于技术的可接收性是至关重要的。设计的铜柱栅阵列(CuCGA)互连可满足可制造性、可靠性和电性能等多方面的要求。可制造性的结构优化重点是在制造处理过程中保证柱的牢固性和具有便捷的卡组装工艺。最终卡上的焊点对于互连的可靠性是至关重要的。互连的几何形状还影响到电性能【1】。评估这些有竞争性因素决定着最后的柱设计【2】。本文重点讨论了CuCGA卡组装和返工工艺的开发和可靠性评估。工艺开发的目的是将成功的SMT组装工艺用于CCGA，以便开发出标准的无铅SMT工艺。将CuCGA组装工艺成功地集成于锡银一铜(SnAgCu，或者SAC)卡组装工艺的开发中，这对于贴装、再流和返修领域都将是一个挑战。本文将讨论通过可靠性评估说明这些工艺的优化和成功结果的实例。

铜柱长径比对CuCGA互连结构轴向临界压应力的影响

借助有限元方法研究Cu CGA互连结构轴向压力载荷下的力学行为.结果表明,直径0.32 mm、长径比5~11.5范围的铜焊柱压曲失稳前会因性能薄弱的钎焊圆角局部区域存在超过钎料极限强度的拉伸应力而引发局部微裂纹;而长径比11.5~16.5范围的铜焊柱则会首先发生屈曲失稳;在综合考虑钎焊圆角局部微裂纹失效和焊柱压曲失稳失效前提下,建立了铜柱长径比和阵列铜焊柱互连结构轴向压力载荷下临界应力的关系方程;轴向临界压应力在长径比5~11.5范围内几乎保持恒定,而在长径比11.5~16.5范围内轴向临界压应力随铜柱长径比λ0增加而降低,规律与描述大柔度杆的欧拉公式相符合.

CuCGA器件焊点热疲劳行为数值模拟

基于蠕变模型构建Sn3.9Ag0.6Cu和63Sn37Pb钎料的本构方程,分析铜柱栅阵列封装(CuCGA)器件在不同温度循环载荷下焊点的应力应变分布.结果表明,不论温度循环如何变化,距器件中心最远处焊点的等效蠕变值总是最大,且均有明显的应力集中现象,在热循环作用下,很容易在该焊点处最先产生裂纹,导致器件失效,是整个器件最脆弱的焊点.同样温度载荷下,Sn3.9Ag0.6Cu焊点的应力应变总是小于63Sn37Pb焊点,而随着温度循环范围的减小,两种钎料的应力和蠕变值均有所降低.另外,预测发现同样温度循环载荷条件下Sn3.9Ag0.6Cu焊点具有较高的疲劳寿命.