铜柱栅阵列互连结构压曲失稳力学行为研究

摘要

随着电子产品向体积微型化、功能多样化的方向发展，对电子产品中封装器件可靠性的要求不断提高。目前，为应对产品高密度、微型化需求而提出的球栅阵列(Ball Grid Array-BGA)封装器件的可靠性还明显低于周边引脚器件，IBM公司开发的柱栅阵列(Ceramic Column Grid Array-CCGA)封装器件的可靠性较BGA封装器件有显著增加，为适应无铅化发展趋势而采用铜柱代替钎料柱，从而形成铜柱栅阵列(Copper Column Grid Array-CuCGA)封装器件。
　　近年来，国内外学者主要关注铜柱栅阵列互连结构在热循环载荷作用下的可靠性，而对机械载荷作用下的力学行为研究较少。为全面考察多种载荷形式下形状参数对铜柱栅阵列互连结构承载能力的影响，本文借助有限元仿真软件MSC.Marc，结合非线性压曲失稳理论，通过展现铜柱栅阵列互连器件中Cu焊柱的压曲失稳过程，考察形状参数(Cu柱长径比、钎焊圆角高度以及焊盘中心距)对铜柱栅阵列互连结构承载能力的影响，并对轴向压力载荷作用下Cu焊柱的力学行为及其失效形式进行研究，得到如下结论:
　　1.压曲失稳前，Cu焊柱中Von Mises应力分布均匀且Cu柱处Von Mises应力明显大于钎焊圆角处Von Mises应力。钎焊圆角处的Von Mises应力呈现出以Cu柱轴线为圆心并向外逐渐减小的变化趋势;压曲失稳后，Cu柱与钎焊圆角中轴对称的应力分布特征被打破。比较铜柱栅阵列互连结构中各Cu焊柱的变形情况，可以看出Cu焊柱弯曲方向不同，表明失稳变形方向具有随机性的特点。
　　2.钎焊圆角高度为0.33 mm，Cu焊盘直径为1.0 mm，Cu直径为0.32 mm时，随着Cu柱长径比由5增加至16.5，铜柱栅阵列互结构的临界载荷呈现降低的变化趋势。采用扰动压曲分析及弧长法压曲分析理论所得到的临界载荷差异很小。由非线性（扰动）压曲分析可知，长径比为5～11.5的Cu焊柱压曲失稳前会因内部性能薄弱的钎焊圆角的局部区域存在超过钎料极限强度的拉伸应力而首先引发局部微裂纹;长径比为11.5～16.5的Cu焊柱则会首先发生压曲失稳失效。综合考虑钎焊圆角局部微裂纹可靠性隐患和Cu焊柱压曲失稳失效，建立Cu柱长径比和铜柱栅阵列互连结构临界应力的关系方程:轴向临界压应力值在5～11.5长径比范围内几乎保持恒定，而在11.5～16.5长径比范围内则随Cu柱长径比λ0增加以正比于λ0-2的规律降低，该变化规律与描述大柔度压杆力学行为的欧拉公式相符合。
　　3.当Cu柱长径比为10时，随着钎焊圆角高度的增加，铜柱栅阵列互连结构临界载荷增大;而随着焊盘中心距的增加，铜柱栅阵列互连结构临界载荷值略有降低。上述铜柱栅阵列互连结构中Cu焊柱发生压曲失稳前因钎焊圆角局部区域存在超过钎料极限强度的拉伸应力而首先引发局部微裂纹，降低结构可靠性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 柱栅阵列器件研究现状

1．2．1 陶瓷柱栅阵列器件

1．2．2 铜柱栅阵列器件

1．3 压杆压曲失稳研究现状

1．3．1 欧拉公式

1．3．2 压曲失稳

1．4 课题研究目的及意义

1．5 主要研究内容

第2章 有限元压曲分析理论及其模型建立

2．1 引言

2．2 有限元压曲分析理论

2．2．1 线性压曲分析理论

2．2．2 非线性压曲分析理论

2．3 CuCGA互连器件有限元模型建立

2．3．1 形状参数

2．3．2 材料属性

2．3．3 边界条件及接触定义

2．4 本章小结

第3章 CuCGA互连结构临界载荷及应力确定

3．1 引言

3．2 线性压曲分析

3．3 非线性压曲分析

3．3．1 临界载荷及应力的确定

3．3．2 扰动压曲分析

3．3．3 弧长法压曲分析

3．4 本章小结

第4章 形状参数对压曲失稳过程中结构力学行为影响的研究

4．1 引言

4．2 Cu柱长径比

4．2．1 压曲失稳临界载荷

4．2．2 压曲失稳临界应力云图

4．2．3 Cu焊柱压曲失稳临界应力及其拟合曲线

4．3 钎焊圆角高度

4．3．1 压曲失稳临界载荷

4．3．2 压曲失稳临界应力云图

4．4 焊盘中心距

4．4．1 压曲失稳临界载荷

4．4．2 压曲失稳临界应力云图

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢