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中溫焊料_BGA焊點的熱斷裂失效機制

2022-10-27

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中溫焊料: BGA焊點的熱斷裂失效機制

BGA的出現(xiàn)是為了滿足增加集成電路的I/O接口數(shù)量的需求,已經(jīng)在高密度封裝大量采用。與傳統(tǒng)微電子封裝技術相比,BGA是使用合金焊料球代替引腳來完成信號傳輸,降低了電信號的傳輸損耗。但是高密度的集成也帶來了更高的服役溫度,對BGA的熱老化可靠性帶來了挑戰(zhàn)。在高溫作用下,焊點內(nèi)部會持續(xù)產(chǎn)生熱應力,導致疲勞累積,最終可能導致焊點斷裂。

 

眾所周知IMC的出現(xiàn)是無鉛錫膏焊接難以避免的。由于IMC在老化過程的生長是決定焊點可靠性的關鍵因素,因此需要了解熱疲勞過程中的焊點微觀結構變化,從而推斷出IMC對BGA焊點可靠的影響。如圖1所示,Li等人采用中溫焊料SAC305 BGA完成與Sn63Pb36錫膏層和Sn62Pb36Ag2錫膏層的裝配,并進行熱循環(huán)測試(-55℃-125℃)。中溫焊料SAC305 BGA的頂部與芯片的Ni焊盤連接,底部與PCB的Cu焊盤連接。

 

BGA焊點示意圖 

1. BGA焊點示意圖。

 

BGA焊點老化測試結果

如圖2所示。無鉛焊料SAC305 BGA中的灰色相為Sn,白色相為Pb。在剛完成焊接時焊點結構精細。在600次熱循環(huán)后,Pb進一步擴散到了BGA中,并且Pb晶粒開始粗化。此外,在完成1200次熱循環(huán)后,在BGA-芯片一側(cè)BGA-PCB一側(cè)都可以清楚地看到由Pb晶粒進一步粗化并積聚形成網(wǎng)絡結構。

 

BGA焊點老化測試。(a-c)BGA-芯片一側(cè); (d-f)BGA-PCB界面一側(cè) 

2. BGA焊點老化測試。(a-c)BGA-芯片一側(cè); (d-f)BGA-PCB界面一側(cè)。

 

在熱循環(huán)3200次后,BGA-芯片一側(cè)大致分為了Ni區(qū),IMC(Cu,Ni)6Sn5區(qū),Sn區(qū)??梢杂^察到Sn區(qū)出現(xiàn)了晶粒粗化和再結晶現(xiàn)象。(Cu,Ni)6Sn5區(qū)則是出現(xiàn)了一定程度的位錯。另外,在BGA-PCB一側(cè)可以看到AC區(qū)和BC區(qū)的界面出現(xiàn)了較長的裂紋,并沿著的晶界向外擴展(圖4),形成穿晶裂紋。這為焊點連接處斷裂的出現(xiàn)帶來隱患。圖4(c)還可以看到有空洞的形成。在空洞和裂紋的共同作用下,該區(qū)域受到應力時將更容易出現(xiàn)斷裂。此外,BGA-PCB一側(cè)的D區(qū)會有晶粒錯位。

熱循環(huán)3200次后的BGA-芯片界面一側(cè)的微觀結構 

3. 熱循環(huán)3200次后的BGA-芯片界面一側(cè)的微觀結構。(b): 圖(a)的成分分布; (c): 圖(a)虛線區(qū)放大圖; (d): 圖(a)實線區(qū)放大圖。

 

熱循環(huán)3200次后的BGA-PCB一側(cè)的微觀結構 

4. 熱循環(huán)3200次后的BGA-PCB一側(cè)的微觀結構。(b): 圖(a)的成分分布; (c): A區(qū)放大圖; (d): C區(qū)放大圖。

 

焊點斷裂分析

無鉛焊料BGA焊點,焊料層和焊盤等材料的熱膨脹系數(shù)不匹配是焊點熱老化失效的主要誘因。當元件使用過程產(chǎn)生熱應力,材料的膨脹使得焊點內(nèi)部和表面出現(xiàn)應力并逐漸累積。Li等表示Sn晶粒再結晶和(Cu,Ni)6Sn5的位錯能釋放部分應力。(Cu,Ni)6Sn5傾向擴散到芯片焊盤的Ni層并形成網(wǎng)格結構,也可以釋放應力??梢灾赖氖荖i層起到抑制原子擴散的作用,減緩IMC生長,從而減緩斷裂失效速度。而BGA-PCB界面處沒有Ni層的阻隔,Cu6Sn5生長速度更快,在應力作用下會出現(xiàn)穿晶裂紋。

 

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參考文獻

Li, Q.H., Zhao, W., Zhang, W., Chen, W.W. & Liu, Z.Q. (2022). “Research on Thermal Fatigue Failure Mechanism of BGA Solder Joints Based on Microstructure Evolution”. International Journal of Fatigue.

 


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