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熱疲勞載荷作用下不同成分BGA互連焊點可靠性研究

包 誠,徐 幸,程明生

（中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥,230088)

0　前言

球柵陣列封裝（Ball Grid Array Package）因其體積小、較高的連接密度高而備受電子產(chǎn)品制造商的青睞。然而，高密度封裝的BGA器件必將在單位體積內(nèi)產(chǎn)生更多的熱量，將導(dǎo)致焊點失效。另外，近些年來，隨著科技的進步和人們環(huán)保意識的增強，以及相關(guān)法律效力文件的頒布（《廢舊電子電器設(shè)備法案》和《關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令》，《電子信息產(chǎn)品污染控制管理辦法》），進一步加速了無鉛焊料取代有鉛焊料的步伐。但在一些應(yīng)用場合，錫鉛焊料暫不能找到替代品。針對這一現(xiàn)象，歐盟和中國的法律都明確提出了豁免條例。因此，無鉛焊料、含鉛焊料以及無鉛和含鉛焊料的混合使用將會同時存在于未來幾年的微電子組裝及封裝領(lǐng)域。本文正是針對BGA器件使用三種BGA試驗樣品，開展研究工作。

1　焊點疲勞失效機理

電子產(chǎn)品或設(shè)備在生產(chǎn)加工或使用過程中出現(xiàn)的電、熱或機械失效往往是因連接材料之間的熱膨脹系數(shù)失配而產(chǎn)生，因此，電子產(chǎn)品或設(shè)備的可靠性問題是該領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一。引起失效的原因有很多種，常見原因有：（1）機械方面，包括一般的機械沖擊、振動、慣性等，這些載荷可能造成封裝體產(chǎn)生彈性變形、塑性變形、蠕變等；（2）熱學(xué)方面，有焊前預(yù)熱、粘接劑固化時放出的熱、部分元器件的重加工等，熱載荷將在封裝體局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致熱疲勞或熱遷移失效；（3）電學(xué)方面，有突然的電沖擊（如突然的開關(guān)機或電源切斷）、靜電載荷等，將造成電遷移；（4）化學(xué)方面，加工或服役環(huán)境造成的氧化、銹蝕等都會引起失效等；（5）晶須長大、電化學(xué)腐蝕等。

2　BGA焊點失效研究的發(fā)展及現(xiàn)狀

在電子封裝界中，通常有兩種方法可確保封裝的可靠性：（1）預(yù)測法，即使用數(shù)值模擬技術(shù)對設(shè)計階段的產(chǎn)品進行模擬，分析及預(yù)測各種可能出現(xiàn)的失效模式及原因，為之后封裝材料的選擇和工藝改善提供有力證據(jù)；（2）實驗法，即在產(chǎn)品制造和封裝工作完成之后，對其進行加速破壞實驗，如熱循環(huán)、溫濕循環(huán)和熱沖擊等，加速其失效進程，通過SEM/EBSD等表征測試技術(shù)觀察其斷口形貌并分析失效原因，為可靠性改善提供了一定的理論依據(jù)。

3　BGA焊點失效行為的研究

3.1試驗研究

本研究選用三種不同成分的BGA互連焊點作為試驗樣品，其中，試驗板如圖1所示。與BGA 互連點連接的印制電路板的厚度2.0mm，共4層。該試驗板上BGA器件的結(jié)構(gòu)形式為周邊陣列排布，本體尺寸為12×12mm，共228個焊點，球間距為0.5mm，如圖1、2所示。

(圖1　)

(圖2　)

根據(jù)IPC-9701的試驗標(biāo)準(zhǔn),在對一批次印制電路板組件做溫度循環(huán)試驗，循環(huán)周期為1小時，低溫和高溫保溫時間均為15分鐘，升溫降溫時間也均為15分鐘，溫變速率約為7℃/分鐘，此溫度循環(huán)試驗中的BGA 互連點由三種不同焊料焊接而成，并在不同循環(huán)周期后進行了觀察。表1給出了三種不同樣品具體成分和觀察周期數(shù)。圖3給出了熱循環(huán)溫度曲線。圖3給出了熱循環(huán)溫度曲線。

針對不同焊料焊接得到的BGA互連點，經(jīng)過一定周期的疲勞載荷作用后，在金相顯微鏡下觀察其界面內(nèi)情況，從而得出在疲勞載荷條件下焊點內(nèi)到底發(fā)生了什么，而導(dǎo)致其失效。同時，也通過對比不同的焊料，得出不同焊料的抗熱疲勞性能。

表1　三種不同焊料形成的BGA互連點樣品溫度循環(huán)周期

試驗采用的樣品分別為錫鉛共晶接頭（Sn–Pb 共晶焊球和Sn–Pb 共晶焊膏）、混裝接頭（Sn3.0Ag0.5Cu 焊球和Sn–Pb 共晶焊膏）以及無鉛接頭（Sn3.0Ag0.5Cu焊球和Sn3.0Ag0.5Cu 焊膏）。焊點內(nèi)除不可避免的氣泡外沒有明顯缺陷。在錫鉛共晶焊料接頭中，黑色的富鉛相以小球形態(tài)密集分布于白色的富錫相基體中；在混裝焊料接頭中，黑色富鉛相以更小的球狀形態(tài)均勻分布在白色富錫相基體中；Sn3.0Ag0.5Cu 無鉛焊料樣品表面在金相顯微鏡下顯得光滑整潔，只有很細(xì)小的硬質(zhì)化合物密集分布于其內(nèi)部。

經(jīng)過3000個溫度循環(huán)后，錫鉛共晶焊料接頭樣品中的全部互連焊點都裂穿；混裝焊料樣品中9個互連焊點上出現(xiàn)裂紋擴展，其中只有1個裂穿；無鉛焊料樣品中裂紋擴展發(fā)生在全部焊點上，其中有14個裂穿。

錫鉛共晶焊料接頭樣品中有很多個細(xì)小晶粒，而混裝焊料接頭樣品和無鉛焊料接頭樣品中通常只有一至兩個大晶粒。對錫鉛共晶焊料接頭樣品原始狀態(tài)進行晶界角度分析，發(fā)現(xiàn)錫鉛共晶焊料樣品中的大部分晶粒之間呈小角度晶界。如圖4、圖5

(圖4　)

(圖5　)

3.2實驗分析

在無鉛焊料接頭樣品中，硬質(zhì)的Ag3Sn和Cu6Sn5點彌散分布在β–Sn基體中，起到質(zhì)點強化作用，從而使接頭具有較好的抗熱疲勞性能。在混裝焊料接頭樣品中，其基體接頭仍然是硬質(zhì)Ag3Sn 和Cu6Sn5點密集分布的β–Sn 基體，同時存在小球狀松軟的富鉛相，這些松軟的富鉛相可以在熱疲勞作用下的熱脹冷縮過程中對應(yīng)力應(yīng)變起到緩沖作用，從而提高了混合焊料的抗熱疲勞性能。

金屬錫在常溫下晶胞結(jié)構(gòu)為立方六面結(jié)構(gòu)，a軸和b軸方向上的原子距離大約是沿c軸原子間距的兩倍，如圖11所示。所以金屬錫基體的焊料上{100}和{010}面是密排面，也是滑移面。在溫度循環(huán)過程中，各個方向上不同的熱膨脹系數(shù)和楊氏模量導(dǎo)致了沿不同方向上不同的應(yīng)力，其中沿c軸的應(yīng)力大約為沿a軸和b軸上應(yīng)力的兩倍，也就是說<001>方向上應(yīng)力最大，滑移系為{100}<001>和{010}<001>。當(dāng)晶粒各個方向上材料的不均勻，導(dǎo)致晶粒受到不均勻的應(yīng)力作用，從而導(dǎo)致滑移產(chǎn)生，而滑移有同事伴隨有晶體的轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，最終導(dǎo)致再結(jié)晶現(xiàn)象。在實際焊點內(nèi)部，錫鉛界面處、金屬間化合物附近區(qū)域、焊料靠近銅基板區(qū)域和焊點角落受力不均勻，所以這些區(qū)域最容易先發(fā)生再結(jié)晶。沿滑移系{100} <001>和{010} <001>滑動的焊點內(nèi)部，其再結(jié)晶轉(zhuǎn)動軸也就是c軸，也就是<001>方向。在原始錫鉛共晶焊料接頭中，晶體上只有小角度晶界。隨著溫度循環(huán)的進行，在角落處小角度晶界大量生成，并出現(xiàn)一些大角度晶界；與此同時，在同一區(qū)域產(chǎn)生了再結(jié)晶晶粒。隨著循環(huán)周期的增加，局部再結(jié)晶區(qū)內(nèi)的Ag3Sn顆粒長大，且偏聚在晶界處，削弱了對彌散強化的作用。

4　結(jié)論

BGA器件封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料特性、熱膨脹系數(shù)失配等諸多因素影響著BGA焊點熱疲勞失效及疲勞壽命。通過本研究可知，BGA焊球成分與焊料成分的匹配，也是影響焊點熱疲勞的重要因素之一。

在熱循環(huán)溫度載荷作用下，混裝焊料焊點（Sn3.0Ag0.5Cu無鉛焊球和錫鉛共晶焊膏）具有較好的抗疲勞失效的性能，無鉛焊料焊點（Sn3.0Ag0.5Cu無鉛焊球和Sn3.0Ag0.5Cu無鉛焊料）抗熱疲勞性能次之，而錫鉛共晶焊料焊點（錫鉛共晶焊球和錫鉛共晶焊膏）抗熱疲勞性能最差。其主要原因是，隨著循環(huán)周期的增加，混裝焊料焊點極難出現(xiàn)局部再結(jié)晶；再結(jié)晶生成細(xì)小晶粒長大，偏聚在晶界處，削弱彌散強化作用。

圖3　熱循環(huán)溫度曲線

參考文獻(xiàn)

[1] Restriction of Hazardous Substances Directive (2002/95/EC). Directive of European Parliament and the Council. 2002.

[2] 侯向榮. 電器生產(chǎn)企業(yè)ROHS化思考和應(yīng)對[J].機床電器, 2010, 4: 58–59.

包誠1981年12月.男.安徽合肥人.2002年畢業(yè)于合肥輕工業(yè)技校.中技.現(xiàn)供職于中國電科38所部件裝調(diào)分廠.研究方向 無線電裝接

第二作者: 徐幸 第三作者:程明生

摘要：本文針對微電子組裝中常見的BGA 封裝形式，對比采用三種不同成分的BGA焊球和焊膏組合（錫鉛共晶焊球和錫鉛共晶焊膏、Sn3Ag0.5Cu 焊球和錫鉛共晶焊膏、以及Sn3Ag0.5Cu焊球和Sn3Ag0.5Cu焊膏）焊接得到的BGA 互連點，經(jīng)過不同周期的熱疲勞試驗后，在金相顯微鏡和電子背散射衍射下觀察，發(fā)現(xiàn)Sn3Ag0.5Cu焊球和錫鉛共晶焊膏混裝形成的BGA焊點中黑色的富錫相均勻彌散分布在焊球內(nèi)，在熱循環(huán)載荷作用下極難形成再結(jié)晶，抗熱疲勞性能最好。

關(guān)鍵詞：BGA；熱疲勞；再結(jié)晶，電子背散射衍射

Effect of thermal fatigue load under different components of BGA solder joint reliability research

Bao Cheng,Xu Xing,Cheng Mingsheng

（The thirty-eighth Research Institute of China Electronic Technology Group CorporationAnhui Hefei 230088)

Abstract：Based on the common BGA package in microelectronics assembly,compared with the three different components of the BGA solder ball and solder paste composition(Sn Pb eutectic solder ball and lead tin eutectic solder paste,solder ball and Sn3Ag0.5Cu eutectic tin lead solder paste,solder ball and Sn3Ag0.5Cu welding and Sn3Ag0.5Cu welding of BGA interconnection paste)get the point,after the thermal fatigue test of different period,in the observation of metallographic microscope and electron backscatter diffraction, Sn3Ag0.5Cu solder ball and lead tin eutectic tin solder paste mixed black BGA formed in the solder joints are uniformly dispersed in the solder ball,under thermal cycle loading is extremely difficult to form recrystallization the best performance,thermal fatigue.

Keywords：BGA; thermal fatigue;recrystallization;electron backscatter diffraction

作者簡介

基金項目：國防基礎(chǔ)科研（項目編號：A1120132016）