一、热应力计算

在BGA封装中，基板与塑封材料的热膨胀系数（CTE）不匹配会导致热应力。陶瓷基板的CTE为6 ppm/℃，而塑封BGA的CTE为15 ppm/℃。这种差异在温度变化时会导致显著的热应力。

 热应力计算公式

 应力分布特征

在热循环载荷下，BGA焊点的应力分布特征表明，边角焊点最先失效。有限元分析显示，焊点的应力与应变分布不均匀，边角焊点承受的应力最大。

 二、焊球阵列布局优化建议

 1. 增加支撑焊球

在BGA阵列中增加支撑焊球，可以有效减小芯片在工作过程中的翘曲。支撑焊球仅起加固作用，不用于电连接。

 2. 优化焊盘尺寸

通过改变下焊盘的尺寸，可以调整焊点的形态，从而优化焊点的可靠性。研究表明，下焊盘尺寸的增加可以减小焊点的高度，但会增加焊点的外径。

 3. 优化焊点布局

优化焊点的布局，特别是在边角区域增加焊点密度，可以有效减小边角焊点的应力集中。有限元分析表明，优化后的焊点布局可以显著降低热疲劳寿命。

 4. 使用低CTE材料

选择低CTE的材料，如金属芯板或Kevlar层压板，可以减少热应力。这些材料的CTE值较低，能够更好地匹配硅芯片的CTE，从而提高封装的可靠性。

 5. 缓冲结构设计

在设计中采用缓冲结构或柔性连接，可以缓解CTE不匹配带来的应力。例如，在基板与芯片之间增加一层热膨胀系数介于两者之间的材料作为过渡。

 三、结论

在BGA封装设计中，低CTE基板与塑封材料的CTE不匹配会导致显著的热应力。通过增加支撑焊球、优化焊盘尺寸和焊点布局、使用低CTE材料以及设计缓冲结构，可以有效减小热应力，提高封装的可靠性和寿命。这些优化措施在工程实践中具有重要的实用价值。