張浩敏 ， 李曉倩 ， 張旭武 ， 李鵬

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所， 廣東 廣州 510610；2.寧波賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司， 浙江 寧波 315040；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所， 江蘇 蘇州 215011）

0 引言

隨著電子產(chǎn)品向小型化、 便攜化、 網(wǎng)絡(luò)化和高性能方向發(fā)展， 對(duì)電路組裝技術(shù)和I/O 引線數(shù)提出了更高的要求。 而球柵陣列封裝（BGA： Ball Grid Array） 器件芯片的管腳分布在封裝的底面，將封裝外殼基板原四面引出的引腳變成以面陣布局的Pb/Sn 凸點(diǎn)引腳， 有效地消除了精細(xì)間距器件中由于引線而引起的共平面、 翹曲的問題， 滿足了電子電路小型化需要容納更多I/O 引線的要求， 且更容易使用SMT 與PCB 上的布線引腳焊接互連，其成品率高、 電性能優(yōu)越和散熱性好等優(yōu)勢(shì)， 使得BGA 在電子產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

BGA 封裝也存在一些問題， 例如： 焊點(diǎn)目測(cè)較困難， 對(duì)失效焊點(diǎn)的具體失效分析比較困難；BGA 器件和電路板材料的熱膨脹系數(shù) （CTE：Coefficient of Thermal Expansion） 差 別 較 大，容易使焊點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力， 并在工作/停止的循環(huán)中不斷地積累疲勞損傷， 在應(yīng)變不協(xié)調(diào)處產(chǎn)生應(yīng)力集中， 導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展， 應(yīng)力越高， 應(yīng)變?cè)酱螅?裂紋萌生和擴(kuò)展的可能性越大， 最終導(dǎo)致電子器件熱失效[4-7]。

為了確認(rèn)BGA 封裝失效的具體原因， 本論文利用X 射線掃描、 染色滲透、 金相分析、 掃描電鏡和熱分析等方法對(duì)BGA 封裝中PCB 焊盤坑裂的原因進(jìn)行了分析， 最終得出結(jié)論， 認(rèn)為熱應(yīng)力是焊盤坑裂的主要原因。

1 案例分析

1.1 背景

組件裝配外殼后到客戶端， 客戶使用一段時(shí)間后出現(xiàn)功能異常， 經(jīng)定位為BGA 封裝器件的焊點(diǎn)失效。 為了分析失效原因， 決定進(jìn)行良品與不良品的對(duì)照試驗(yàn)， 共收到良品2 只， 編號(hào)為1#、 2#；失效樣品3 只， 編號(hào)為3 #、 4 #、 5 #。

1.2 X 射線檢查

對(duì)3 #、 4 # 和5 # 失效樣品上的焊點(diǎn)進(jìn)行X射線掃描檢查，其失效焊點(diǎn)的代表性光學(xué)照片如圖1 所示。從圖1 中可以看出， 失樣樣品上的焊點(diǎn)基本正常， 未發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)存在虛焊、 枕頭等異常情況。

圖1 失效焊點(diǎn)的X 射線照片

1.3 染色滲透試驗(yàn)

對(duì)1 #良品、 4 #失效品上的U1焊點(diǎn)進(jìn)行染色滲透試驗(yàn)， 將樣品依次清洗干凈、 染色滲透、 抽真空、 烘烤， 恢復(fù)至室溫， 分離BGA 器件與PCB后， 在立體顯微鏡下進(jìn)行觀察并記錄結(jié)果。 進(jìn)行染色滲透試驗(yàn)后4 #失效品的照片如圖2 所示， 其焊點(diǎn)染色的結(jié)果矩陣圖如圖3 所示。

圖2 4 #失效品器件染色滲透試驗(yàn)后的照片

從圖2 中的結(jié)果可以看出， 4 #失效品上器件邊角處的焊點(diǎn)被染色滲透， 說(shuō)明這些焊點(diǎn)在試驗(yàn)前已開裂， 開裂模式有兩種， 模式1 為PCB 焊盤與基材開裂， 占比較高； 模式2 為BGA 焊盤與焊料之間開裂， 但是被染色滲透的區(qū)域均是焊點(diǎn)邊緣的空洞內(nèi)， 如圖3 所示。

圖3 4 #失效品焊點(diǎn)染色結(jié)果矩陣圖

1 #良品器件染色滲透試驗(yàn)后的照片如圖4 所示。 從圖4 中可以看出， 之前所述的兩種開裂模式在2 #良品照片上都沒有找到， 說(shuō)明焊點(diǎn)未被染色滲透， 焊點(diǎn)在試驗(yàn)前未開裂。

圖4 1 #良品器件染色滲透試驗(yàn)后的照片

1.4 金相切片分析

5 # 失效品的器件不良焊點(diǎn)分布及BGA 球高度分布如圖5 所示， 從圖5 中可以看到絕大部分分布在邊緣區(qū)域。 將5 #失效品器件制成切片， 對(duì)其焊點(diǎn)進(jìn)行研磨及觀察， PCB 焊盤坑裂的代表性金相照片如圖6 所示，焊點(diǎn)其他模式的代表性失效金相照片如圖7 所示。 根據(jù)照片分析可以得出以下結(jié)果。

a） BGA 焊點(diǎn)處存在PCB 焊盤坑裂、 PCB 焊盤脫落和PCB 焊盤局部不潤(rùn)濕3 種不良， 其中， PCB焊盤坑裂占多數(shù)， 其次是PCB 焊盤脫落， 僅有個(gè)別PCB 焊盤局部不潤(rùn)濕。

圖5 5 #失效品器件不良焊點(diǎn)分布圖

圖6 5 #失效品器件PCB 焊盤坑裂代表性金相照片

b） 不良焊點(diǎn)均分布在器件外圍邊緣排， 且絕大部分位于器件邊角， 尤其是29～32 排占比最多。

c） BGA 焊球的高度呈現(xiàn)邊角低、中間高的趨勢(shì)， 最大高度差約為85 μm， 高度低的焊球焊盤坑裂的裂縫相對(duì)較寬， 且PCB 焊盤可見明顯的抬起變形， 同時(shí)伴隨BGA 球形狀的變化。

d） PCB 焊盤脫落處伴隨基材缺失， 且該位置BGA 球已嵌入基材缺失處， 且底部圓滑。

e） 部分BGA 焊點(diǎn)在靠近BGA 焊盤的焊料內(nèi)部可見較多的小空洞。

將1 #良品U1器件制成切片， 并對(duì)其邊緣4 排焊點(diǎn)進(jìn)行研磨及金相顯微鏡觀察， 代表性金相照片如圖8 所示。 從圖8 中可以看到， 焊點(diǎn)焊接良好， BGA 球坍塌均勻， 除部分BGA焊點(diǎn)在靠近BGA 焊盤的焊料內(nèi)部可見空洞外， 未見明顯的基材開裂、 不潤(rùn)濕等異常。 另外， BGA 焊球高度較為均勻， 最大高度差＜20 μm。

1.5 掃描電鏡觀察及分析

用掃描電鏡對(duì)器件焊點(diǎn)BGA 焊盤/焊料之間的IMC 層進(jìn)行分析， 其結(jié)果對(duì)比如圖9 所示。 從圖9 中的對(duì)比結(jié)果可見5 #失效品， 其IMC 層均勻平直， 厚度約為3.0 μm； 而1 # 良品的IMC 層厚度整體較為均勻， 基本均＜1.5 μm， 部分區(qū)域可見扇貝狀合金形貌。

1.6 熱分析

1.6.1 差熱掃描量熱法 （DSC） 分析（Tg&△Tg）

在失效樣品器件附近位置上取PP進(jìn)行△Tg測(cè)試， 前處理?xiàng)l件為105 ℃、2 h， 測(cè)試結(jié)果如表2 所示， DSC 測(cè)試曲線如圖10 所示。

圖7 5 #失效品BGA 焊點(diǎn)代表性金相照片

圖8 1 #良品器件焊點(diǎn)截面代表性金相照片

表2 △Tg 測(cè)試結(jié)果

1.6.2 熱膨脹系數(shù)測(cè)試

選取失效樣品器件附近位置的PCB 板進(jìn)行CTE 測(cè)試， 前處理?xiàng)l件為105 ℃、 2 h， 測(cè)試結(jié)果如表3 所示，熱機(jī)械分析（TMA） 的測(cè)試曲線如圖11 所示。

表3 CTE 測(cè)試結(jié)果

1.6.3 耐熱裂時(shí)間（T260） 測(cè)試

選取失效樣品器件附近位置的PCB 板進(jìn)行耐熱裂時(shí)間（T260） 測(cè)試，前處理?xiàng)l件為110 ℃、 24 h， 結(jié)果可見耐熱裂時(shí)間大于30 min， 其耐熱裂時(shí)間的測(cè)試曲線如圖12 所示。

2 結(jié)果與討論

失效品上器件焊點(diǎn)存在PCB 焊盤坑裂、 PCB 焊盤脫落和PCB 焊盤局部不潤(rùn)濕現(xiàn)象。 由于僅個(gè)別焊點(diǎn)處存在不潤(rùn)濕， 且是局部區(qū)域， 不會(huì)引起產(chǎn)品功能失效， 另外， PCB 焊盤脫落本質(zhì)上也是其下方的基材開裂， 屬于焊盤坑裂范疇， 因此本案中僅對(duì)發(fā)生在較多焊點(diǎn)上的PCB 焊盤坑裂進(jìn)行原因分析。

圖9 5 #失效品與1 #良品焊點(diǎn)處的IMC 層代表性SEM 照片

圖10 失效樣品PP 的DSC 曲線

圖11 失效樣品的TMA 曲線

對(duì)失效的U1器件焊點(diǎn)進(jìn)行金相切片分析， 可見PCB 焊盤坑裂均分布在器件外圍邊緣排， 尤其是邊角位置，且29～32 排數(shù)量居多。 另外， 器件BGA 焊球高度差異較大， 最大高度差約為85 μm， 且呈現(xiàn)邊角低、 中間高的趨勢(shì)。 相對(duì)高度較大的BGA 焊點(diǎn)， 高度低的焊點(diǎn)， 其發(fā)生焊盤坑裂的數(shù)量反而較多。 由此可見， BGA 器件與PCB 基材的CTE 不匹配導(dǎo)致器件或PCB 板變形較大， 由此引入的過大的Z-軸向應(yīng)力才是導(dǎo)致本案中基材開裂的主要原因。

對(duì)失效品上器件附近位置的PCB 基材進(jìn)行熱性能分析， 其△Tg＜3 ℃， a1-CTE＜0.6×10-5/℃， a2-CTE＜3.0×10-4/℃， PTE＜4%， 且T260＞30 min， 均滿足一般基材對(duì)用于無(wú)鉛回流工藝的熱性能要求， 因此可排除PCB 基材耐熱性能不良導(dǎo)致基材開裂的可能性。

進(jìn)一步分析焊盤坑裂的失效焊點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)基材裂縫較寬處可見PCB 焊盤抬起變形， 并伴隨BGA 球形狀的變化， 另外， 焊盤脫落的BGA 焊點(diǎn)， 其底部圓滑， 呈現(xiàn)高溫下熔融后的形貌， 且焊球底部已嵌入PCB 基材脫落后的凹坑內(nèi)。以上現(xiàn)象說(shuō)明PCB 焊盤坑裂是發(fā)生在高溫高熱狀態(tài)下， 該熱量導(dǎo)致PCB 基材受到較大的熱應(yīng)力造成開裂， 且該熱量足以將無(wú)鉛焊料熔融。 另外， 對(duì)比分析失效品及未使用的良品， 一方面， 對(duì)于BGA 焊盤與焊料界面的IMC 層， 失效品上的IMC 層普遍較為平直，且厚度約為3.0 μm， 而良品上IMC 層部分區(qū)域較為平直， 但厚度不足1.5 μm， 并伴隨較多的扇貝狀合金形貌； 另一方面， 失效品U1器件的BGA 球高度的差異較大， 最大可達(dá)85 μm， 而良品上的BGA 球高度最大＜20 μm， 因此相對(duì)良品，失效品U1器件處的變形較大。 以上均說(shuō)明失效品經(jīng)歷的熱量相對(duì)良品較高。

圖12 失效樣品耐熱裂時(shí)間的測(cè)試曲線

綜合上述分析， 失效品器件PCB 焊盤坑裂主要與其經(jīng)歷的熱量較高， PCB 基材受到的熱應(yīng)力過大有關(guān)。 BGA 封裝器件本體與PCB 板的CTE 失配會(huì)導(dǎo)致處于器件本體和PCB 之間起著連接作用的BGA 焊點(diǎn)不可避免地產(chǎn)生熱應(yīng)力， 進(jìn)而導(dǎo)致可靠性問題的產(chǎn)生。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了確認(rèn)BGA 封裝失效和PCB 焊盤坑裂的具體原因， 利用X 射線掃描、 染色滲透、 金相分析、掃描電鏡和熱分析等方法對(duì)BGA 封裝中PCB 焊盤坑裂的原因進(jìn)行分析。 最終結(jié)果表明， 失效品器件PCB 焊盤坑裂主要與其經(jīng)歷的熱量較高有關(guān)，由于CTE 的不匹配， 導(dǎo)致PCB 基材受到的熱應(yīng)力過大， 最終導(dǎo)致BGA 封裝失效。

焊點(diǎn)內(nèi)部的熱應(yīng)力是使焊點(diǎn)失效的本質(zhì)之一，由于CTE 的不匹配， 在應(yīng)變不協(xié)調(diào)處產(chǎn)生應(yīng)力集中， 導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展， 應(yīng)力越高， 應(yīng)變?cè)酱螅鸭y萌生和擴(kuò)展的可靠性越大。 焊點(diǎn)最常見的破壞大都是由于熱應(yīng)力造成的。 元件在使用時(shí)， 芯片會(huì)發(fā)熱， 熱量透過封裝傳導(dǎo)到焊點(diǎn)， 使焊點(diǎn)溫度上升， 由于封裝與基板間的CTE 不同， 當(dāng)溫度變化時(shí)， 封裝體會(huì)產(chǎn)生翹曲， 焊點(diǎn)介于中間， 會(huì)因應(yīng)力而產(chǎn)生變形； 當(dāng)停止使用時(shí)， 溫度降回到室溫， 形成與使用時(shí)相反的應(yīng)力， 結(jié)果使得焊點(diǎn)隨著一次次的使用而產(chǎn)生形變， 接著產(chǎn)生裂紋、擴(kuò)展， 形成一個(gè)斷裂面， 最終引起焊盤的坑裂。