包 誠，徐 幸，程明生

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088）

熱疲勞載荷作用下不同成分BGA焊點(diǎn)可靠性*

包 誠，徐 幸，程明生

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088）

針對微電子組裝中常見的BGA 封裝形式，對比采用3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Sn63Pb37、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焊接界面。經(jīng)過不同周期的熱疲勞試驗(yàn)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(diǎn)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。

BGA；熱疲勞；再結(jié)晶；電子背散射衍射

1 引言

球柵陣列封裝（Ball Grid Array Package）因其體積小、引線連接密度高而備受電子產(chǎn)品制造商青睞。然而，高密度封裝的BGA器件在單位體積內(nèi)產(chǎn)生更多的熱量，隨著服役時間增加，焊點(diǎn)經(jīng)歷周而復(fù)始的急速加熱及冷卻后將出現(xiàn)失效。另外，隨著科技的進(jìn)步和人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，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》[1]、《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》[2]和《電子信息產(chǎn)品污染控制管理辦法》[3]），進(jìn)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[4]。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。本文針對BGA器件使用3種BGA試驗(yàn)樣品，開展研究工作。

2 焊點(diǎn)疲勞失效機(jī)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(jī)械失效往往是由于連接材料之間的熱膨脹系數(shù)失配，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[5,6]。引起失效的常見原因有[7]：（1）機(jī)械方面，包括一般的機(jī)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（如突然開關(guān)機(jī)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。

然而，對于連接于PCB和器件基板之間的BGA器件，因呈剛性連接而無法釋放因拘束作用而產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變。BGA焊點(diǎn)、基板材料與PCB材料之間的熱膨脹系數(shù)失配，會造成起剛性連接的BGA焊點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力、熱應(yīng)變。隨著電子產(chǎn)品的持續(xù)服役，疲勞載荷的作用逐漸加強(qiáng)，焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變逐漸增大，最終達(dá)到釬料合金的持久極限，出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致BGA焊點(diǎn)失效。

3 BGA焊點(diǎn)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(jì)階段的產(chǎn)品進(jìn)行模擬，分析及預(yù)測各種可能出現(xiàn)的失效模式及原因，為之后封裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)、封裝材料的選擇和工藝改善提供參考依據(jù)；（2）實(shí)驗(yàn)法，即在產(chǎn)品制造和封裝工作完成之后，對其進(jìn)行加速破壞實(shí)驗(yàn)，如熱循環(huán)、溫濕循環(huán)和熱沖擊等，加速其失效進(jìn)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)。

1956年 11月 RCA（Radio Company of America）公司發(fā)布的TR.1100標(biāo)準(zhǔn)，介紹了元器件焊點(diǎn)失效的計(jì)算值模型。1988年，歐洲空間科技中心在-55 ℃～125 ℃這個溫度范圍內(nèi)對無引線陶瓷芯片載體（LCCC）封裝進(jìn)行熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，觀察到焊點(diǎn)在經(jīng)歷100周熱循環(huán)后出現(xiàn)熱失效和可視裂紋[8]。后來，電子封裝中的熱失效問題[6]也出現(xiàn)在1989年美國JPL Magellan宇宙飛船的地面實(shí)驗(yàn)中。

近些年來，很多業(yè)內(nèi)人士投入研究BGA焊點(diǎn)疲勞斷裂失效的問題。Lee等人[9]使用四線法測量5種不同加速破壞試驗(yàn)條件下接頭的電阻值直到出現(xiàn)開口失效為止，熱疲勞的壽命確定為出現(xiàn)電阻值增加的那個循環(huán)周期。Tunga等人[10]將制備的光柵云紋試樣裝夾在有熱涂層防護(hù)的熱室里進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，通過連桿連接到云紋干涉儀上，測得焊點(diǎn)平均應(yīng)變，逐步利用理論計(jì)算公式，得到釬焊接頭疲勞壽命。Tee等人[11]發(fā)現(xiàn)TFBGA最外層對角線上的錫球的最上層拐角處的應(yīng)變能密度最大。Iyer等人[12]使用有限元分析技術(shù)對Sn1.0Ag0.5Cu和Sn3.0Ag0.5Cu這兩種無鉛釬料的跌落沖擊實(shí)驗(yàn)的可靠性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)處在封裝體拐角處的焊點(diǎn)應(yīng)力最大，且焊球界面處應(yīng)力最大。Min等人[13]使用JavaScript開發(fā)了一個專門適用于引腳封裝的模型，并使用ANSYS軟件進(jìn)行熱應(yīng)力分析，結(jié)合S-N曲線預(yù)測其疲勞壽命。Barker等人[14,15]提出了一些用于估測有引腳的表面固定器件的振動疲勞壽命的方法。Wu[16]通過建立整體模型和局部模型最終確定BGA組件中關(guān)鍵接觸處的臨界應(yīng)力，從整體模型中可得到某些特定的感興趣位置處的PWB的振動響應(yīng)，之后將這個響應(yīng)導(dǎo)入局部的應(yīng)力分析，從而得到這些釬焊接頭的臨界應(yīng)力。

4 BGA焊點(diǎn)失效行為研究

4.1 試驗(yàn)研究

本研究選用3種不同成分的BGA焊點(diǎn)作為試驗(yàn)樣品，其中試驗(yàn)板如圖1所示。與BGA 焊點(diǎn)連接的印制電路板厚度為2.0 mm，共4層。該試驗(yàn)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 mm×12 mm，共228個焊點(diǎn)，球間距為0.5 mm，如圖2所示。

根據(jù)IPC-9701的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[17]，對一批次印制電路板組件做溫度循環(huán)試驗(yàn)。循環(huán)周期為1 h，低溫和高溫保溫時間均為15 min，升溫降溫時間也均為15 min，溫變速率約為7 ℃/min。此溫度循環(huán)試驗(yàn)中的BGA 互連點(diǎn)由3種不同焊料焊接而成，并在不同循環(huán)周期后進(jìn)行了觀察。表1給出了3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。

針對不同焊料焊接得到的BGA互連點(diǎn)，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，從而得知在疲勞載荷條件下焊點(diǎn)內(nèi)到底發(fā)生了什么導(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。

圖1 試驗(yàn)板實(shí)物照片

圖2 BGA焊點(diǎn)樣品的結(jié)構(gòu)示意圖

表1 3種不同焊料形成的BGA互連點(diǎn)樣品溫度循環(huán)周期

圖3 熱循環(huán)溫度曲線

試驗(yàn)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）。圖4、圖5和圖6分別給出了3種樣品接頭的原始形貌、1 400個循環(huán)后的形貌以及3 000個循環(huán)后的形貌。

從圖4可以看出，焊點(diǎn)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。

圖4 3種接頭樣品的原始形貌

圖5 1 400個循環(huán)后3種接頭樣品形貌

圖6 3 000個循環(huán)后3種接頭樣品形貌

從圖5可以看出，在錫鉛共晶接頭樣品上，在22個焊球中，有9個互連焊點(diǎn)上出現(xiàn)裂紋，其中3個裂穿；在混裝接頭樣品上，2個互連點(diǎn)焊點(diǎn)上出現(xiàn)裂紋萌生現(xiàn)象，但沒有裂穿；在無鉛接頭樣品上，4個互連焊點(diǎn)上出現(xiàn)裂紋，其中1個裂穿。

從圖6可以看出，經(jīng)過3 000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(diǎn)都裂穿；混裝焊料樣品中9個互連焊點(diǎn)上出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，其中只有1個裂穿；無鉛焊料樣品中裂紋擴(kuò)展發(fā)生在全部焊點(diǎn)上，其中有14個裂穿。

從金像照片中裂紋擴(kuò)展情況來看，3種接頭樣品中混裝焊料接頭樣品的抗熱疲勞性能最好，其次為無鉛焊料接頭，錫鉛共晶焊料接頭抗熱疲勞性能最差。

為了更好地研究3種不同接頭樣品熱疲勞失效的行為，對3種樣品做了電子背散射衍射分析（EBSD），對比觀察3種接頭樣品的原始EBSD圖片、1 400個循環(huán)后的EBSD圖片及3 000個循環(huán)后的EBSD圖片，如圖7～圖9所示。

如圖7所示，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1～2個大晶粒。對錫鉛共晶焊料接頭樣品原始狀態(tài)進(jìn)行晶界角度分析，如圖10所示，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。

圖7 3種接頭樣品的原始EBSD圖片

圖8 1 400個循環(huán)后3種焊料接頭樣品的EBSD圖片

從圖8中可見，3種焊料接頭樣品在經(jīng)歷1 400個循環(huán)后焊點(diǎn)出現(xiàn)局部再結(jié)晶：錫鉛共晶焊料接頭樣品中出現(xiàn)了大量的細(xì)小晶粒；而在混裝焊料接頭樣品中，僅焊點(diǎn)角落和基板附近區(qū)域出現(xiàn)少量的細(xì)小晶粒。

從圖9中可見，經(jīng)歷3 000個循環(huán)后，在錫鉛共晶焊料接頭樣品中，新產(chǎn)生的細(xì)小晶粒布滿整個錫鉛共晶焊料焊點(diǎn)，甚至焊點(diǎn)的最外側(cè)；在混裝焊料接頭樣品中，再結(jié)晶區(qū)域向混裝焊料焊點(diǎn)的中心區(qū)域擴(kuò)展；在無鉛焊料接頭樣品中，再結(jié)晶區(qū)域已經(jīng)擴(kuò)展至Sn3.0Ag0.5Cu無鉛焊料焊點(diǎn)中心。

圖9 3 000個循環(huán)后3種焊料接頭樣品的EBSD圖片

圖10 錫鉛共晶焊料中晶界角度

從原始樣品EBSD圖片來看，金屬錫趨向于形成少量的大尺寸晶粒，而金屬鉛卻促使錫鉛焊料焊點(diǎn)成長為多個細(xì)小晶粒；從循環(huán)1 400和3 000個周期后的焊點(diǎn)EBSD 圖片可知，再結(jié)晶最難出現(xiàn)在混裝焊料焊點(diǎn)中，而最容易發(fā)生于錫鉛共晶焊料焊點(diǎn)中。

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

在無鉛焊料接頭樣品中，硬質(zhì)的Ag3Sn和Cu6Sn5點(diǎn)彌散分布在β-Sn基體中，起到質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)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(diǎn)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>。

圖11 金屬錫晶胞結(jié)構(gòu)示意圖

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，而滑移同時伴隨有晶體的轉(zhuǎn)動現(xiàn)象[18]，最終導(dǎo)致再結(jié)晶現(xiàn)象。在實(shí)際焊點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(qiáng)化的作用。

5 結(jié)論

BGA器件封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料特性、熱膨脹系數(shù)失配等因素影響著BGA焊點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)具有較好的抗疲勞失效性能，無鉛焊料焊點(diǎn)抗熱疲勞性能次之，而錫鉛共晶焊料焊點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)化作用。

[1] Waste Electrical and Electronic Equipment Directive 2002/96/EC）[S]. Directive of European Parliament and the Council. 2002.

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

[3] 電子信息產(chǎn)品污染控制管理辦法[S]. 中華人民共和國工業(yè)和信息化部第39 號令. 2007.

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

[1] J Sauber, L Lee, H Shih, T Hongsmatip. Fracture properties of molding compound materials for IC plastic packaging [J]. Microelectronics Reliability, 1996, 36（3）：36-42.

[5] B Nagaraj, M Mahalingam. Package-to-board attach reliability-methodology and case study on OMPAC package [J]. Journal of Electronic Packaging, 1998, 120（3）：290-295.

[6] 任春嶺, 高娜燕, 丁榮崢. 倒裝焊陶瓷封裝失效模式分析及失效機(jī)理研究[J]. 電子與封裝, 2010, 10（8）：5-9.

[7] D Y Tsai, G S Shen, S K Chen. On-board reliability of SOC-BGA package [J]. 2000 Technical Symposium, 1999, 24: 61-64.

[8] S Min, H S Lee. Modeling and analysis of lead frame structure in electronic packaging using Java and ANSYS [J]. Key Engineering Materials, 2006, 306：1055-1060.

[9] K Tunga, S K Sitaraman. An expedient experimental technique for the determination of thermal cycling fatigue life for BGA package solder balls [J]. Journal of Electronic Packaging, 2007, 129（4）：427-433.

[10] T Y Tee, H S Ng, D Yapa, X Baratona, Z W Zhongb. Board level solder joint reliability modeling and testing of TFBGA packages for telecommunication applications [J]. Microelectronics Reliability, 2003, 43（7）：1117-1123.

[11] G Iyer, E Ouyang, W Kittidacha, S Tantideeravit, L K Suresh. Pb-free Solder: SAC105 vs SAC305 drop-test reliability data comparison [A]. Electronic Manufacturing Technology Symposium, 2007：251-255.

[12] S Min, H S Lee. Modeling and analysis of lead frame structure in electronic packaging using Java and ANSYS [J]. Key Engineering Materials, 2006, 306：1055-1060.

[13] D B Barker, A Dasgupta, M G Pecht. PWB solder joint fatigue life calculations under thermal and vibration loading [J]. Journal of the IES, 1992, 35（1）：17-25.

[14] D B Barker, Y S Chen, A Dasgupta. Estimating the vibration fatigue life of quad leaded surface mount components [J]. Journal of Electronic Packaging, 1993, 115（2）：195-200.

[15] M L Wu. Design of experiments to investigate reliability for solder joints PBGA package under high cycle fatigue [J]. Microelectronics Reliability, 2010, 50（1）：127-139.

[16] Performance Test Methods and Qualification Requirements for Surface mount Solder Attachments [Z]. IPC-9701, IL, 2002, 1.

[17] 崔忠圻，劉北興. 金屬學(xué)與熱處理[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007. 152-153.

Study on the Reliability of Different Component of BGA Solders Interconnections under the Thermal Fatigue Loading

BAO Cheng, XU Xing, CHENG Mingsheng
（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute, Hefei 230088, China）

BGA, the common packaging in the microelectronic assembly, was aimed in the paper. Three different component of solder joints of the combination of BGA solder ball and solder paste, which were tinlead eutectic solder and tin-lead eutectic solder paste, Sn3.0Ag0.5Cu balls and tin-lead eutectic solder paste, and Sn3.0Ag0.5Cu balls and Sn3.0Ag0.5Cu solder paste, were studied. After different cycles of the thermal fatigue test, the solder joints were observed by the optical microscopy and the electron backscatter diffraction. It was found that the black tin-rich phase uniformly dispersed within the solder ball and it was extremely difficult to form the recrystallization, which resulted that the solder joints formed by Sn3.0Ag0.5Cu balls and tin-lead eutectic solder paste performed the best thermal fatigue resistance.

BGA; thermal fatigue; recrystallization; electron backscatter diffraction

TN305.94

A

1681-1070（2015）07-0005-05

2015-04-08

國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（A1120132016）