李 苗，孫曉偉，宋惠東，程明生

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥230031)

1 引言

隨著集成電路封裝技術(shù)向小型化、高密度和高可靠性等方向發(fā)展，陣列封裝形式成為當(dāng)前電子行業(yè)的主流技術(shù)。陶瓷球柵陣列（Ceramic Ball Grid Array，CBGA）封裝作為一種高密度面陣列排布的表面貼裝封裝形式，近年來被廣泛應(yīng)用于航空航天等高可靠電子產(chǎn)品中。CBGA封裝通過陶瓷基板上的焊球連接電路I/O端與印制電路板（Printed Circuit Board，PCB），具有高互連密度、優(yōu)異的熱性能和電性能，且由于其氣密性好、抗?jié)駳庑阅芨?，封裝后的器件長(zhǎng)期可靠性較高。然而，CBGA器件焊點(diǎn)由于其材料和結(jié)構(gòu)特性，陶瓷基板熱膨脹系數(shù)為7.5×10-6/℃，與FR4基板熱膨脹系數(shù)（17.5×10-6/℃）嚴(yán)重不匹配，在溫度循環(huán)等環(huán)境試驗(yàn)中焊點(diǎn)容易發(fā)生開裂，導(dǎo)致器件失效。這也是CBGA封裝可靠性研究主要關(guān)心的問題[1-2]。

CBGA器件的組裝是一個(gè)復(fù)雜的工藝過程，對(duì)印制板設(shè)計(jì)、焊膏印刷工藝和再流曲線設(shè)置等都有嚴(yán)格要求，任何工藝環(huán)節(jié)的疏漏都可能影響其最終可靠性[3]。本文采用板級(jí)高密度組裝生產(chǎn)線開展CBGA器件裝配工藝研究，通過溫度循環(huán)、振動(dòng)等環(huán)境試驗(yàn)和金相切片、掃描電子顯微鏡（SEM）等質(zhì)量分析手段對(duì)CBGA器件焊點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)環(huán)境試驗(yàn)后的焊點(diǎn)失效模式進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)研究采用的陶瓷球柵陣列封裝形式為CBGA272，尺寸為27 mm×27 mm×3.35 mm，焊球直徑為0.76 mm，焊盤節(jié)距為1.27 mm，焊球成分為90Pb10Sn。表貼用PCB選用FR4為基材，尺寸為160 mm×100 mm×2.35 mm，焊盤表面處理采用熱風(fēng)整平錫鉛工藝?；亓骱附铀煤父喑煞譃?2Sn36Pb2Ag，其熔點(diǎn)為179℃。

采用板級(jí)高密度組裝生產(chǎn)線開展CBGA器件裝焊工作。表貼完成后采用X-Ray設(shè)備和微間隙設(shè)備檢查CBGA器件貼裝精度，確保裝配滿足要求后進(jìn)行回流焊接。試驗(yàn)共導(dǎo)入2條焊接曲線，具體參數(shù)如表1所示。1#曲線設(shè)置除滿足CBGA器件焊接外，同時(shí)考慮無鉛PBGA器件有鉛化焊接，2#曲線設(shè)置除滿足CBGA器件焊接外，還考慮無鉛PBGA器件混裝焊接。CBGA器件焊接完成后四角采用環(huán)氧膠進(jìn)行加固。焊接完成后采用X-ray設(shè)備檢查CBGA器件焊點(diǎn)是否存在橋連、空洞等。采用微間隙設(shè)備檢查CBGA器件焊點(diǎn)形態(tài)有無偏移等問題，進(jìn)而對(duì)比分析2條焊接曲線焊點(diǎn)質(zhì)量。

表1 回流焊接溫度曲線設(shè)置參數(shù)

試驗(yàn)完成后，選取最優(yōu)回流曲線焊接CBGA器件，并對(duì)CBGA焊點(diǎn)開展可靠性試驗(yàn)，分析經(jīng)歷過環(huán)境試驗(yàn)后焊點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和開裂形式。溫度循環(huán)和振動(dòng)試驗(yàn)條件依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ECSS-Q-ST-70-38C《高可靠表貼及混裝焊接技術(shù)》[4]執(zhí)行，具體試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 環(huán)境試驗(yàn)具體條件

環(huán)境試驗(yàn)后，借助金相切片方法，通過顯微鏡觀察焊點(diǎn)截面情況，檢查焊點(diǎn)是否存在虛焊、橋連等缺陷，分析焊點(diǎn)失效模式。依據(jù)GB/T16594-2008標(biāo)準(zhǔn)通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察器件側(cè)和印制板側(cè)焊點(diǎn)金屬間化合物（IMC）變化情況。IMC層厚度平均值通過SEM確定成分界面，借助圖像分析軟件獲得IMC面積然后除以界面長(zhǎng)度所得。

3 結(jié)果與討論

3.1 CBGA器件回流焊接試驗(yàn)結(jié)果

采用多通道實(shí)時(shí)溫度測(cè)試儀對(duì)FR4基板進(jìn)行溫度測(cè)試，熱電偶探頭分別監(jiān)測(cè)空氣、CBGA器件、塑封BGA（PBGA）器件和表貼焊盤等區(qū)域的溫度點(diǎn)。其中，CBGA和PBGA器件主要監(jiān)測(cè)器件中心點(diǎn)的溫度，熱電偶位置如圖1所示。上述測(cè)試點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度曲線如圖2所示。以62Sn36Pb2Ag液相線179℃為基準(zhǔn)線，對(duì)2條回流焊接工藝曲線進(jìn)行溫度-時(shí)間定量分析，其中PBGA器件為有鉛無鉛混裝焊接，以Sn+Pb+Ag3Sn+Cu6Sn5四元共晶結(jié)構(gòu)重熔混合焊點(diǎn)的熔化起始溫度204℃為基準(zhǔn)線進(jìn)行溫度-時(shí)間定量分析，分析結(jié)果如表3所示。

表3 回流焊接溫度曲線實(shí)測(cè)值分析

圖1 熱電偶安裝示意圖

圖2 實(shí)測(cè)溫度曲線示意圖

多次實(shí)測(cè)溫度曲線并進(jìn)行分析，CBGA器件焊點(diǎn)較表貼焊盤升溫慢，降溫慢，液相線時(shí)間較表貼器件長(zhǎng)；CBGA器件焊點(diǎn)溫度比表貼焊盤溫度低15℃左右；保溫段結(jié)束后，陶瓷器件焊點(diǎn)與表貼焊盤溫差基本為零；CBGA器件與大尺寸PBGA實(shí)測(cè)溫度曲線基本一致，峰值溫度相差不大。2#曲線PBGA混合焊點(diǎn)混沌區(qū)起始溫度（204℃）以上時(shí)間為70 s，符合混裝工藝曲線要求[5]。

采用1#曲線焊接的CBGA器件及PBGA器件焊點(diǎn)，未見橋連、虛焊等缺陷。CBGA器件焊點(diǎn)微間隙典型圖片如圖3所示，焊料潤(rùn)濕焊球一圈，焊球略有偏移。

圖3 1#曲線焊接CBGA器件局部焊點(diǎn)

采用2#曲線焊接的CBGA和PBGA器件X-Ray照片如圖4所示，采用微間隙設(shè)備對(duì)器件四周焊點(diǎn)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)潤(rùn)濕飽滿，滿足歐空局等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊點(diǎn)典型圖片如圖5所示。對(duì)比焊接1#曲線和2#曲線，2#曲線焊點(diǎn)外觀形貌較1#曲線潤(rùn)濕飽滿，排除焊球氧化和貼片誤差導(dǎo)致的偏移，分析認(rèn)為2#曲線較1#曲線峰值溫度升高，保溫段和液相線以上時(shí)間增長(zhǎng)，實(shí)際焊接過程中陶瓷器件受熱更加均勻，焊料潤(rùn)濕均勻。考慮項(xiàng)目需求和整板焊接時(shí)所有器件的熱容，優(yōu)選2#曲線進(jìn)行后續(xù)環(huán)境試驗(yàn)。

圖4 2#曲線焊接典型X-Ray圖片

圖5 2#曲線焊接典型微間隙圖片

3.2 環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 微間隙設(shè)備檢查

采用2#曲線焊接試驗(yàn)板，焊點(diǎn)檢驗(yàn)滿足要求后，對(duì)制備得到的試驗(yàn)板進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)。環(huán)境試驗(yàn)先開展50次溫度循環(huán)，然后進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)，隨后繼續(xù)進(jìn)行50次溫度循環(huán)摸底。通過微間隙設(shè)備、金相切片以及SEM測(cè)試等方法對(duì)CBGA器件焊點(diǎn)進(jìn)行分析。

焊接完成后，采用微間隙設(shè)備檢查所有CBGA器件外圍焊點(diǎn)外觀情況，焊點(diǎn)潤(rùn)濕良好，無偏移等缺陷。環(huán)境試驗(yàn)后部分焊球開始發(fā)生偏移。由于陶瓷基板與FR4基板存在熱失配，在溫度循環(huán)作用下，大部分焊球發(fā)生偏移，焊球偏移量與器件中心距離成正比，中間焊球偏移最少，越靠近器件四角焊球偏移越嚴(yán)重，偏移方向朝器件中心偏移，同一焊球在不同階段的外觀情況如表4所示。振動(dòng)試驗(yàn)后，焊球偏移量無明顯變化；隨著溫度循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加焊球偏移量愈加嚴(yán)重。

表4 環(huán)境試驗(yàn)后微間隙形貌

3.2.2 金相切片及SEM分析

3.2.2.1 溫度循環(huán)+振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

選取所有試驗(yàn)件中焊點(diǎn)外觀質(zhì)量最差的一個(gè)器件進(jìn)行金相切片，切片位置為器件焊點(diǎn)外觀最差的一邊及斜對(duì)角。CBGA器件斜對(duì)角焊點(diǎn)代表性金相切片圖片如圖6所示，圖6(a)為焊點(diǎn)整體外觀圖，圖6(b)~(d)分別為左側(cè)焊點(diǎn)、中間焊點(diǎn)、右側(cè)焊點(diǎn)金相圖片。金相切片結(jié)果表明焊球形態(tài)與微間隙設(shè)備觀察一致，焊球偏移量與器件中心距離越大，偏移程度越大，偏移方向朝器件中心偏移。觀察所有焊點(diǎn)圖片發(fā)現(xiàn)CBGA器件焊點(diǎn)潤(rùn)濕良好，環(huán)境試驗(yàn)后焊點(diǎn)無明顯開裂等異常。

圖6 代表性金相切片圖片（溫度循環(huán)+振動(dòng)試驗(yàn)后）

CBGA器件所用陶瓷基板與FR4基板存在熱失配，在周期性的溫度循環(huán)過程中，兩者變形程度不同，導(dǎo)致焊點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力集中。CBGA器件安裝到FR4基板上應(yīng)變隨溫度變化計(jì)算公式為[6]：Δx=DNP×ΔT×(CTE1-CTE2)。Δx為熱失配材料應(yīng)變量；DNP(Distance from Neutral Point)為距器件中心點(diǎn)的距離；ΔT為溫度變化范圍；CTE1、CTE2分別為2種材料的熱膨脹系數(shù)?？梢?，應(yīng)變量與2種材料的熱失配程度和服役溫度差呈正相關(guān)，且器件尺寸越大，DNP越大，應(yīng)變量越大。從文獻(xiàn)[6]中可知，該尺寸CBGA器件在該應(yīng)用環(huán)境下需謹(jǐn)慎應(yīng)用。

陶瓷基板與FR4基板熱膨脹系數(shù)相差較大，溫度循環(huán)過程中，F(xiàn)R4基板在高溫的作用下發(fā)生延伸，溫度降低時(shí)，基板來不及收縮導(dǎo)致焊球朝向器件中心擠壓，低溫時(shí)FR4基板發(fā)生收縮，溫度升高時(shí)，基板恢復(fù)導(dǎo)致焊球仍呈擠壓狀態(tài)，造成應(yīng)力集中。在周期性的溫度循環(huán)作用下，焊球偏移量加大。中間焊球偏移量最小或者不偏移，距器件中心點(diǎn)距離越大，焊球偏移越嚴(yán)重，偏移方向朝向器件中心。

SEM結(jié)果表明，CBGA器件焊點(diǎn)在元件側(cè)以及PCB焊盤側(cè)均形成了較為均勻連續(xù)的IMC層，測(cè)量結(jié)果如表5所示，SEM代表性照片見圖7。

表5 IMC層厚度測(cè)量結(jié)果（溫度循環(huán)+振動(dòng)試驗(yàn)后）

圖7 代表性SEM圖片（溫度循環(huán)+振動(dòng)試驗(yàn)后）

3.2.2.2 溫度循環(huán)+振動(dòng)+溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

振動(dòng)試驗(yàn)后繼續(xù)進(jìn)行溫度循環(huán)摸底，試驗(yàn)完成選取所有試驗(yàn)件中焊點(diǎn)外觀質(zhì)量最差的一個(gè)器件進(jìn)行金相切片，切片位置為器件焊點(diǎn)外觀最差的一邊及斜對(duì)角。CBGA器件斜對(duì)角焊點(diǎn)代表性金相切片圖片如圖8所示，圖8(a)為焊點(diǎn)整體外觀圖，圖8(b)~(d)分別為左側(cè)焊點(diǎn)、中間焊點(diǎn)、右側(cè)焊點(diǎn)金相圖片。金相切片結(jié)果表明隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，四角焊球進(jìn)一步偏移，焊料隨著焊球偏移出現(xiàn)嚴(yán)重不均勻分布，中間焊球基本無偏移，焊料分布變化不大；四角焊點(diǎn)出現(xiàn)開裂，開裂位置出現(xiàn)在錫鉛焊料與器件焊盤之間。

圖8 代表性金相切片圖片（溫度循環(huán)+振動(dòng)+溫度循環(huán)試驗(yàn)后）

溫度循環(huán)所導(dǎo)致的焊球偏移進(jìn)一步造成焊點(diǎn)在振動(dòng)試驗(yàn)過程中受力不均勻，焊點(diǎn)存在損傷風(fēng)險(xiǎn)，可能誘發(fā)裂紋產(chǎn)生。隨著溫度循環(huán)的繼續(xù)，周期性的溫度應(yīng)力造成焊球偏移加劇，促使焊點(diǎn)裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展[7-8]。由于90Pb10Sn焊球的彈性模量（E=19.10 GPa）遠(yuǎn)低于62Sn36Pb2Ag焊料（與63Sn37Pb共晶焊料E=43.25 GPa相近）[9]，延伸率高，在溫度載荷和機(jī)械載荷交互作用的環(huán)境下，62Sn36Pb2Ag焊料與陶瓷器件焊盤接觸位置產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，首先萌生裂紋，隨著溫度循環(huán)的繼續(xù)，裂紋沿焊料與器件焊盤接觸界面一直擴(kuò)展，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。

SEM結(jié)果表明，隨著溫度循環(huán)的繼續(xù)，不論是元件側(cè)還是PCB焊盤側(cè)IMC厚度均有一定程度的增加，測(cè)量結(jié)果如表6所示。這是因?yàn)闇囟妊h(huán)過程中，隨著多次高溫停留時(shí)間的累積，Sn和Cu之間的固態(tài)反應(yīng)使IMC層繼續(xù)生長(zhǎng)變厚[10-11]。但SEM分析可知（如圖9所示），IMC層并未發(fā)生明顯變質(zhì)，其厚度仍在行業(yè)所接受的合理范圍0.5~4 μm之間。

表6 IMC層厚度測(cè)量結(jié)果（溫度循環(huán)+振動(dòng)+溫度循環(huán)試驗(yàn)后）

圖9 代表性SEM圖片（溫度循環(huán)+振動(dòng)+溫度循環(huán)試驗(yàn)后）

4 結(jié)束語

本文采用板級(jí)高密度組裝生產(chǎn)線開展CBGA器件焊接工藝研究，獲得滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的焊點(diǎn)。通過溫度循環(huán)和振動(dòng)等環(huán)境試驗(yàn)考核，借助金相切片、SEM等工藝質(zhì)量分析手段研究得出：熱失配致使焊球在溫度循環(huán)作用下發(fā)生偏移，四角焊球偏移最嚴(yán)重，中間焊球偏移最少。焊球在溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)等綜合應(yīng)力作用下發(fā)生開裂，器件四角處的焊點(diǎn)最先發(fā)生開裂，開裂位置為焊料與陶瓷器件焊盤接觸位置。溫度循環(huán)試驗(yàn)后CBGA器件焊點(diǎn)在元件側(cè)以及PCB焊盤側(cè)形成的IMC層厚度略有增加。