梅聰，張龍，鄭佳華，羅鵬，王磊，曹柏海

（1.東莞長城開發(fā)科技有限公司，廣東 東莞 523900；2.深圳長城開發(fā)科技股份有限公司，廣東 深圳 518035）

0 引言

在電子產(chǎn)品服役過程中，由于溫度和振動等外部環(huán)境的影響，焊點的焊料與封裝結(jié)構(gòu)的樹脂等材質(zhì)熱膨脹系數(shù)（CTE：Coefficient of Thermal Expansion）的不匹配會使得焊點發(fā)生蠕變而造成疲勞開裂[1]。倒裝類的BGA封裝具有較高的集成度且已廣泛地被應(yīng)用于通信端的信號處理和存儲領(lǐng)域。為了提高這類焊點的熱疲勞壽命，業(yè)內(nèi)采用較多的是在芯片底部填充樹脂（底部填充工藝）使其與基板膠黏固定[2]，從而降低溫循過程中的熱失配應(yīng)力、起到提升焊點機(jī)械強(qiáng)度與熱疲勞可靠性的作用。

目前較多的研究均集中在底部填充工藝后的有限元仿真分析上。通過建模仿真得到底部填充前后焊點內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變分布，模擬計算底部填充后對焊點壽命的改善效果[3-5]。在隨機(jī)振動應(yīng)力仿真方向發(fā)現(xiàn)，采用底部填充膠對焊點進(jìn)行填充可以有效地降低隨機(jī)振動載荷作用下焊點內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變，底充膠彈性模量越大，密度越小，越有利于減小焊點內(nèi)的隨機(jī)振動應(yīng)力應(yīng)變[3]。熱循環(huán)仿真方向的結(jié)論顯示，選取一種CTE較小的環(huán)氧類底部填充膠對封裝焊點進(jìn)行填充能有效地減小組件內(nèi)部熱應(yīng)力和焊點蠕變[4]。這類仿真在進(jìn)行建模時考慮的都是膠水是否完全填充，從而忽略了具體的工藝生產(chǎn)中的膠水填充比例的實際影響。此外，在施加環(huán)境應(yīng)力的過程中認(rèn)為底部填充膠水的性能不發(fā)生老化或者改性。

本文基于IPC 7091A《表面貼裝錫焊件性能測試方法與鑒定要求》設(shè)計了菊花鏈結(jié)構(gòu)的電路板及阻值實時監(jiān)測系統(tǒng)。實驗參考仿真結(jié)果，選取了不同的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和CTE的膠水在TC4（-55～125℃）溫循條件下測試焊點的熱疲勞壽命。實驗中還考慮實際的免洗工藝中助焊劑殘留等問題導(dǎo)致膠水無法100%填充的情況，建立了內(nèi)部底部填充工藝的評估方法，對于膠水的選型及工藝質(zhì)量評估具有一定的參考意義。本文最后還對溫循后失效焊點焊料的金相結(jié)構(gòu)和undefill膠水的形貌進(jìn)行了分析。

1 底部填充工藝及焊點熱循環(huán)可靠性試驗

1.1 BGA焊點菊花鏈電路設(shè)計

本文選取了Amkor公司15 mm×15 mm×1.2 mm菊花鏈結(jié)構(gòu)的BGA芯片。焊球為17×17的四周陣列排布，共208個，間距（pitch）為0.8 mm。將PCB側(cè)的焊盤同樣設(shè)置為菊花鏈結(jié)構(gòu)，使得焊接后所有的焊點通過芯片側(cè)和PCB側(cè)的鏈狀結(jié)構(gòu)全部串聯(lián)在一起。PCB選擇FR4（Tg：130℃，Td：310℃）的6層疊板結(jié)構(gòu)。其中，兩層芯板均為S1141，3層玻纖布為S2116，板厚為1.6 mm，銅厚為0.035 mm。焊料采用無鉛SAC305體系的ALPHA OM-340。焊點菊花鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 焊點菊花鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2 底部填充工藝及膠水填充質(zhì)量

底部填充膠是利用毛細(xì)作用使得膠水滲透進(jìn)入BGA芯片底部，經(jīng)加熱固化后在芯片封裝和PCB之間形成牢固的填充層，起到包裹保護(hù)焊點的作用。當(dāng)填充工藝不良時，容易出現(xiàn)芯片底部膠水滲透不良而產(chǎn)生氣泡或者芯片封裝側(cè)面充填高度不足；而過量涂覆，則會導(dǎo)致膠水溢出流到器件表面或其他位置，影響外觀及后續(xù)的組裝測試。此外，目前的電子產(chǎn)品一般均采用無鉛免洗工藝，助焊劑的殘留也容易導(dǎo)致膠水無法完全包裹焊點。底部填充工藝質(zhì)量如圖2所示。

圖2 底部填充工藝質(zhì)量

綜合衡量各類產(chǎn)品的底部填充需求，本項目考慮從底部填充比例和側(cè)面的填充高度來對底部填充膠水的工藝質(zhì)量進(jìn)行管控。

為了保證底部填充膠水能有效地包裹所有的焊點，本文中底部填充質(zhì)量的評估標(biāo)準(zhǔn)是側(cè)面填充高度超過芯片塑封體厚度的1/2（如圖2所示，h/H＞50%）且底部的膠水填充率＞95%。允許焊點PCB側(cè)存在少量的氣泡，但所有的焊點周圍均要有填充，不允許膠水外溢到芯片封裝的表面。

部分研究結(jié)果顯示，底填膠水對焊點的熱疲勞壽命改善效果與膠水的CTE相關(guān)[4]。因此本實驗選取了3款典型的CTE膠水，同時兼顧了膠水是否可返修性能（A的Tg值最小，最容易返修；C的Tg值居中，可以返修；B類Tg值較高不可返修），如表1所示。

表1 3款待評估底部填充膠水的材料性能參數(shù)

2 熱循環(huán)可靠性試驗

2.1 溫度循環(huán)條件

本實驗參考了IPC 7091A中的TC4等級加速條件（-55～125℃）。最高溫和最低溫駐留時間都為10 min，溫變時間為15 min（溫變速率為12～20℃/min）。

溫度參數(shù)設(shè)置完成后，實際監(jiān)測箱內(nèi)溫度與焊點處的溫度發(fā)現(xiàn)，箱子內(nèi)部溫度變化情況與設(shè)置溫度基本一致，但焊點處的實際溫度與設(shè)置溫度存在較大的差異，實際的焊點溫度范圍為：-42.3～101.6℃，如圖3a所示。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，溫差是由于實驗測試板的熱傳導(dǎo)系數(shù)決定的，PCB的銅箔和樹脂等材料的散熱性能和溫變速率使得焊點處的溫度無法與設(shè)置參數(shù)保持一致。焊點經(jīng)歷的實際溫度循環(huán)條件仍呈現(xiàn)周期性且與設(shè)置參數(shù)的周期一致，但是最高溫與最低溫以及溫變速率存在差異。后續(xù)的仿真分析需考慮這一實際情況。

測試開始后同步監(jiān)測某條菊花鏈結(jié)構(gòu)的電阻值變化，結(jié)果如圖3b所示。初始狀態(tài)下（常溫且焊點結(jié)構(gòu)正常）電阻約為6.4Ω，此時電阻值來源于焊點、導(dǎo)線等處的互聯(lián)電阻。當(dāng)溫循開始時，電阻值隨溫箱內(nèi)溫度同步呈現(xiàn)小范圍內(nèi)的周期性波動，這是由溫箱內(nèi)的焊點及導(dǎo)線內(nèi)阻隨溫度變化而導(dǎo)致的。

圖3 溫度循環(huán)測試結(jié)果

2.2 焊點阻值監(jiān)測結(jié)果

某菊花鏈焊點結(jié)構(gòu)1 000個循環(huán)過程中的阻值變化如圖4所示。參考IPC 7091A，本文將菊花鏈的電阻值變?yōu)?00Ω的時刻作為焊點完全失效的判斷點。

圖4顯示，實驗開始后電阻值維持在很小的值不變，從某一時刻開始出現(xiàn)波動，此后一直呈現(xiàn)更大范圍的變化。聚焦到電阻值開始波動的那一個時刻發(fā)現(xiàn)，在此時刻之前，焊點菊花鏈的電阻值基本與初始時刻一致且仍是保持隨溫度呈現(xiàn)周期性變化的規(guī)律。從該時刻起，阻值開始變大，且此后迅速地變?yōu)閹浊W姆甚至無窮大，呈現(xiàn)為無規(guī)律的電阻值波動。當(dāng)電阻值超過100Ω后，后面的溫度循環(huán)周期內(nèi)，焊點阻值也不會恢復(fù)正常狀態(tài)，可以排除此時刻電阻變化是環(huán)境變化等導(dǎo)致的異常點，該點時刻可以用來表征焊點阻值隨時間的變化情況。

圖4 焊點菊花鏈結(jié)構(gòu)電阻值監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測每一個菊花鏈結(jié)構(gòu)的電阻值變化并統(tǒng)計焊點失效點時刻，以此作為該結(jié)構(gòu)的焊點熱疲勞循環(huán)壽命。

2.3 焊點溫度循環(huán)熱疲勞壽命

統(tǒng)計1 000個溫度循環(huán)測試后菊花鏈焊點失效循環(huán)數(shù)。經(jīng)檢驗，該數(shù)據(jù)符合兩參數(shù)的威布爾分布，焊點壽命分布如圖5所示。

圖5 溫度循環(huán)測試后焊點熱疲勞壽命的威布爾分布

統(tǒng)計分布數(shù)據(jù)表明，B和C兩種底填膠水的壽命Nf（63.2%）約為1 350個循環(huán)，相比于無底部填充膠時焊點壽命約提升了2倍。然而，A類底部填充膠后的焊點壽命約為527個循環(huán)，比無底部填充膠可靠性差。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 焊點熱疲勞失效分析

分別選擇這幾類溫循后失效的菊花鏈焊點進(jìn)行切片分析發(fā)現(xiàn)，焊點內(nèi)部確實出現(xiàn)了熱疲勞性開裂，并且芯片的最外圈焊點開裂得最多，這與仿真結(jié)果（邊緣焊點最容易開裂）一致。

圖6 菊花鏈結(jié)構(gòu)失效焊點切片分析

進(jìn)一步對失效焊點裂紋進(jìn)行金相結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)（如圖7所示），裂紋是從焊點邊緣處的金屬間化合物（IMC）開始產(chǎn)生的，然后逐漸地向焊點內(nèi)部擴(kuò)展。SEM結(jié)果顯示，焊料裂紋基本是沿著大的顆粒Ag3Sn的晶界處生長，這些大的晶粒來源于溫度循環(huán)過程中焊料的重結(jié)晶。隨著結(jié)晶過程的產(chǎn)生，晶粒開始生長粗化從而產(chǎn)生更大的晶界，并逐漸地擴(kuò)展為微裂紋。

圖7 失效焊點裂紋金相及SEM分析

一般認(rèn)為，焊點的IMC處最脆最容易出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力開裂[5-6]。當(dāng)焊點邊緣IMC處出現(xiàn)起裂點后，裂紋沿著焊料內(nèi)部晶粒粗化形成的晶界微裂紋生長，并最終形成貫穿整個焊點的大裂紋。

3.2 溫度循環(huán)實驗后底部填充膠水分析

如圖8所示，對有底部填充工藝的樣品進(jìn)行切片檢查發(fā)現(xiàn)，本實驗中樣品的底填工藝側(cè)面填充質(zhì)量均良好，并且實驗后未發(fā)現(xiàn)側(cè)面膠水有分層開裂異常。進(jìn)一步地檢查焊點周圍的膠水發(fā)現(xiàn)，A、B和C 3類膠水均存在不同程度的開裂，部分位置的膠水裂紋有向PCB或者芯片基板中擴(kuò)展，甚至PCB焊盤和內(nèi)部玻纖有被拉扯變形和開裂。

圖8 溫度循環(huán)測試后底部填充膠水的形貌分析

底部填充膠水裂紋主要是從膠水與焊球的接觸位置開始出現(xiàn)的。這是由于SMT使用的免洗工藝導(dǎo)致焊球邊緣有助焊劑殘留包裹，使得底填膠水與焊料或者PCB的粘合強(qiáng)度導(dǎo)致的。膠水的吸濕性能以及在熱循環(huán)條件下的性能退化（老化），也會加速膠水的老化開裂[7]。

4 結(jié)束語

本文基于IPC 7091A焊點可靠性實驗參考標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計并討論了在熱循環(huán)交變條件下的無底部填充工藝和有底部填充工藝下的BGA焊點可靠性壽命，得出了以下幾點結(jié)論。

a）底部填充膠水對焊點熱疲勞壽命的改善效果與膠水的性能密切相關(guān)。選擇高Tg值與低CTE的底部填充膠水，可以增強(qiáng)焊點的熱疲勞壽命；而低Tg和高CTE的膠水則會帶來相反的效果，導(dǎo)致焊點更容易熱疲勞開裂。

b）采用無鉛免洗工藝會使得焊點周圍有較多的助焊劑殘留并影響底部填充效果。進(jìn)行底填工藝時，應(yīng)通過工藝改善優(yōu)化，減小底填膠水內(nèi)的空洞。建議底部填充率＞95%，且芯片表面無溢膠。

c）進(jìn)行可靠性溫循實驗，焊點處的實際溫度與溫箱設(shè)置溫度存在差異，下一步進(jìn)行焊點有限元仿真分析時需關(guān)注實際的溫循條件。

d）焊點熱疲勞裂紋是從IMC處開始產(chǎn)生的，然后向焊料內(nèi)部擴(kuò)展。焊料內(nèi)的微裂紋沿晶格重結(jié)晶晶粒的晶界處生長。底填膠水的老化開裂，也是加速焊點熱疲勞失效的原因。