李曉明 馮波 任康

摘 要： 目前BGA器件越來越廣泛地應(yīng)用在電子產(chǎn)品上。電子產(chǎn)品正朝向輕量化、便攜化等方向發(fā)展，對(duì)BGA技術(shù)進(jìn)行研究升級(jí)也迫在眉睫。BGA封裝因?yàn)槠漤槕?yīng)目前電子產(chǎn)品輕量化、便攜化的發(fā)展趨勢(shì)，被越來越多的企業(yè)應(yīng)用到焊接工藝中。元器件是否可靠的關(guān)鍵在于焊點(diǎn)的剪切性能。文章通過研究BGA焊點(diǎn)剪切性能和界面結(jié)構(gòu)，提出幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞： BGA焊接;剪切性能;界面結(jié)構(gòu)

隨著人民群眾生活的物質(zhì)水平越來越高，電子產(chǎn)品逐步向輕量化、便攜化等方向發(fā)展，對(duì)電路組裝技術(shù)以及input/output引線數(shù)的技術(shù)水平要求也逐步提高。為了提高BGA焊接后的焊點(diǎn)質(zhì)量和可靠性，文章就改善BGA剪切性能以及其界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

1 BGA簡介

BGA的全稱是Ball Grid Array（球柵陣列），它是集成電路采用有機(jī)載板的一種封裝法。BGA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是增加了input/output引腳數(shù)，且焊接成品率相對(duì)較高。與周邊引線IC器件相比，BGA器件的厚度相對(duì)較小，從器件基板到印制板焊盤之間的引線距離減小，這不僅減小了寄生參數(shù)，而且降低了信號(hào)延遲。器件是否可靠關(guān)鍵在于焊點(diǎn)是否擁有較高的抗剪切性能。文章對(duì)BGA焊點(diǎn)抗剪切性能及界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 Sn Ag Cu/Cu焊點(diǎn)時(shí)效前后的剪切強(qiáng)度

用均勻射流斷裂法生成Sn-3.8Ag-0.7Cu-xRE（x=0，0.1%，0.25%，O.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）BGA微焊球。設(shè)定操作溫度為 250℃，噴嘴直徑為0.2mm。試驗(yàn)具體操作如圖1，板厚為05mm， 焊盤直徑為0.6mm焊盤下金屬為。Au/Ni（P）/Cu，厚度分別為25～32/10～15/0.5μm。把第一次回流的基板倒放在另一塊基板上，建議實(shí)驗(yàn)的時(shí)候在兩接頭之間放入等高墊片，模具進(jìn)行第二次回流操作，這樣可以確保焊球塌陷后的高度保持一致。

使用LLOYD系統(tǒng)-LRX微拉伸試驗(yàn)機(jī)分別以0.001，0.01，0.5mm/s速率對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行剪切試驗(yàn)。對(duì)于每種成分、每種剪切條件分別進(jìn)行20次試驗(yàn)，拉斷后用顯微鏡進(jìn)行拉伸結(jié)果觀察。測(cè)量10次試驗(yàn)的平均值，之后計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)平均差和標(biāo)準(zhǔn)偏差。保留拉斷后的接頭，用專業(yè)顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)過后的截面情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

一般情況下焊點(diǎn)經(jīng)過一次回流焊和兩次回流焊肉眼看不出太大差別，但是在專業(yè)的顯微鏡下還是能看出纖維組織有一定差別的。圖2為Sn-3.8Ag-0.7Cu（SAC）焊點(diǎn)顯微組織。經(jīng)EDX分析可知，此層化合物由Cu∶Ni∶Sn=25.93∶28.45∶45.62組成，可確定為（Cu，Ni）6Sn5。

當(dāng)釬料內(nèi)部的稀土化合物成片狀、不聚攏時(shí)，表明稀土含量>0.25%。在焊接過程中，RE原子的表現(xiàn)會(huì)吸附在晶界處，所以液態(tài)合金的狀態(tài)很少有晶體的存在，RE元素極少，稀土相形式表明存在RE只有少量，分布于晶界處。

3 時(shí)效焊點(diǎn)對(duì)界面組織結(jié)構(gòu)的影響

在電子封裝結(jié)構(gòu)中，焊點(diǎn)為各級(jí)互聯(lián)提供了電傳導(dǎo)性和機(jī)械穩(wěn)定性。焊點(diǎn)是否可靠取決于IMC層。改變焊點(diǎn)機(jī)械性能的有效方法，就是改變焊點(diǎn)的顯微組織。因此研究釬料與金屬界面之間IMC層，形成機(jī)理及生長動(dòng)力學(xué)非常之必要，這將有利于從根本上改善焊點(diǎn)的質(zhì)量。

為研究釬焊界面IMC層在實(shí)際服役過程中的生長演變規(guī)律，本文在160°C分別進(jìn)行100h、200h等溫時(shí)效試驗(yàn)，并對(duì)界面IMC厚度進(jìn)行了測(cè)量，使用origin軟件將測(cè)量的IMC層厚度數(shù)據(jù)作圖，如圖3所示。

相同直徑焊點(diǎn)界面IMC厚度隨著時(shí)間的加長在不斷增大。這是由于焊點(diǎn)在老化過程中，Cu原子能不斷地獲得能量，然后基板的Cu開始向焊料中擴(kuò)散，焊料中的Sn原子同樣獲得能量，向基板方向靠近，因此在界面形成的IMC增厚趨勢(shì)，界面扇貝狀的化合物變得平緩，其重要因素是時(shí)效的增長。

4 結(jié)論

（1）微量RE（>O.25%）焊點(diǎn)的塑性和強(qiáng)度大大降低。

（2）如果想提高焊點(diǎn)的強(qiáng)度和塑性可以適當(dāng)改變焊接速率。

在當(dāng)今這個(gè)信息瞬息萬變的時(shí)代，要做好信息的收集和技術(shù)的升級(jí)換代工作。不僅要提升我國的電子技術(shù)水平，更要向世界先進(jìn)技術(shù)學(xué)習(xí)，取之精華。文章中對(duì)于研究BGA焊點(diǎn)剪切性能以及界面結(jié)構(gòu)的研究，可以為BGA元器件焊接提供參考和依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]谷柏松.BGA焊點(diǎn)剪切性能及界面結(jié)構(gòu)的研究[D].哈爾濱理工大學(xué)，2013.

[2]朱奇農(nóng).電子封裝中表面貼裝焊點(diǎn)的可靠性研究[D].中國科學(xué)院上海冶金研究所，2000.