杜曉妍 劉建軍 張永忠李 欣

ENIG鍍層焊盤上BGA焊點開裂原因及應(yīng)對措施

杜曉妍1劉建軍2張永忠1李 欣3

（1. 北京城市學(xué)院智能電子制造研究中心，北京 100083；2. 北京航天新立科技有限公司，北京 100039；3. 北京計算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京 100039）

使用金相切片、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線能譜儀（EDS）等分析方法，研究了ENIG（Electroless Nickel and Immersion Gold, ENIG）工藝處理的PCB焊盤焊點開裂樣品，該樣品是BGA封裝的器件，焊球成分是Sn3.0Ag0.5Cu，焊膏成分是Sn63Pb37，屬于有鉛無鉛混裝工藝。研究發(fā)現(xiàn)，該樣品中ENIG工藝處理的PCB焊盤上BGA焊點開裂原因是回流焊接工藝參數(shù)控制不當(dāng)，導(dǎo)致磷在反應(yīng)界面過度富集，形成了富磷層，以及銅元素穿過鎳層擴(kuò)散到反應(yīng)界面，參與了界面IMC（Intermetallic Compound, IMC）層的形成，雙重因素作用下使焊點界面強(qiáng)度嚴(yán)重弱化，在外界應(yīng)力作用下發(fā)生開裂。

化鎳浸金（ENIG）；富磷層；失效分析；銅擴(kuò)散

1 引言

化鎳浸金（ENIG）工藝是先在銅焊盤上化學(xué)鍍鎳磷層，鎳鍍層的厚度受化學(xué)鍍時間和溫度的影響；然后把表面鍍有鎳層的焊盤置于酸性金水中，通過置換反應(yīng)，在表面覆蓋上一層金層；最后進(jìn)行清洗，去除焊盤表面的多余物。因其具有不易氧化，可長時間存放，表面平整，可重復(fù)多次過回流焊也不降低可焊性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于安裝有大量精細(xì)間距器件以及共面度要求比較高的PCB表面處理[1，2]。而在使用過程中，發(fā)現(xiàn)一種失效問題：焊點外觀潤濕良好，金相切片觀察顯示焊點界面也形成了IMC層，如圖1所示。制程中并未發(fā)現(xiàn)明顯問題，但是使用一段時間后，很多焊點都發(fā)生失效現(xiàn)象，給廠家和使用者都帶來很大損失。

圖1 焊點潤濕良好且界面形成IMC層

針對這種失效問題，分析了發(fā)生開裂的典型案例，找到了失效的根本原因，并提出了相應(yīng)的解決方案，對于相關(guān)問題的解決有一定的指導(dǎo)意義。

2 樣品描述

樣品為BGA器件，使用一段時間后發(fā)現(xiàn)元器件失效，樣品接收狀態(tài)外觀如圖2所示。其PCB焊盤采用的表面處理工藝為ENIG工藝，焊料為Sn63Pb37有鉛焊料，BGA焊球是Sn3.0AgCu0.5焊料，采用有鉛無鉛混合工藝焊接，焊接參數(shù)如表1所示。對使用一段時間后失效的樣品進(jìn)行分析。

圖2 失效樣品接收態(tài)外觀照片

表1 失效樣品焊接參數(shù)

3 失效分析

依據(jù)《IPC-TM-650 2.1.1 手工法顯微切片的制備》中規(guī)定的方法對失效BGA器件進(jìn)行焊點切片處理。使用掃描電子顯微鏡（日立SU8010）對焊點截面進(jìn)行微觀觀察，觀察焊點組織結(jié)構(gòu)及形貌，測量IMC層厚度。同時使用X射線能譜儀（型號ELEMENT）對感興趣區(qū)域進(jìn)行成分分析，確定成分含量。

3.1 SEM形貌觀察

觀察失效樣品焊點截面，如圖3所示。發(fā)現(xiàn)焊球在PCB焊盤一側(cè)發(fā)生開裂。焊接界面形成了連續(xù)的IMC層，開裂位置在IMC層與焊盤之間。IMC層連續(xù)但形態(tài)比較雜亂，測量平均厚度為6.9μm，最大厚度可達(dá)11.1μm。放大觀察開裂位置，發(fā)現(xiàn)鎳層表面可見一層顏色較深的化合物層，如圖3c所示。初步判斷為ENIG焊盤焊接過程中形成的富磷層。

圖3 失效樣品焊點截面代表性SEM形貌

通過形貌觀察，發(fā)現(xiàn)焊球中存在三種異常：a.焊球與PCB焊盤結(jié)合位置發(fā)生開裂；b.IMC層偏厚；c.鎳層與IMC層之間疑似存在富磷層。

3.2 對焊點進(jìn)行EDS能譜成分分析

圖4 IMC層與鎳層之間深色化合物層EDS分析

對鎳層和IMC層之間顏色較深的化合物層進(jìn)行成分分析，如圖4所示。發(fā)現(xiàn)其中含鎳、磷兩種元素，磷元素含量達(dá)到16.96wt%。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本案例中磷鎳鍍層中5～10wt%的磷含量范圍，判斷該顏色較深的化合物層為富磷層，平均厚度約0.8μm。

對焊點IMC層進(jìn)行成分分析，如圖5、圖6、圖7所示，發(fā)現(xiàn)焊點IMC層中含有銅元素，含量高達(dá)10.39wt%，選取IMC層中多個點進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)銅含量均遠(yuǎn)高于SAC焊球中的銅含量，銅含量如表2中所示。對比圖5、圖6、圖7分析點銅含量，發(fā)現(xiàn)距離焊盤越遠(yuǎn)，銅含量越低。推斷鎳鍍層之下的銅經(jīng)過高溫擴(kuò)散過程進(jìn)入IMC層。而銅進(jìn)入錫鎳IMC層必然會改變它的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

圖5 失效樣品IMC層成分分析點1

圖6 失效樣品IMC層成分分析點2

圖7 失效樣品IMC層成分分析點3

表2 多個失效樣品IMC層分析點銅含量表

3.3 結(jié)果分析

本案例中，失效表現(xiàn)為焊點在焊盤與IMC層位置開裂。焊料與焊盤間形成的IMC層形態(tài)雜亂且厚度偏厚，焊盤鎳層中磷富集現(xiàn)象明顯，IMC層中出現(xiàn)比較多的銅元素。良好的IMC層的形成取決于錫膏質(zhì)量、焊接工藝參數(shù)設(shè)置以及PCB焊盤的可焊性[3]。對焊盤鎳層進(jìn)行成分分析，如圖8所示，鎳層內(nèi)磷含量為7.07wt%，沒有超過中磷焊盤含磷量，排除物料本身缺陷造成的富磷層偏厚。

圖8 ENIG焊盤鎳層成分分析

失效樣品工藝參數(shù)如表1所示，焊接恒溫溫度140～180℃，恒溫時間70s，回流時間68s，峰值溫度為243℃。根據(jù)文獻(xiàn)中對無鉛焊球和有鉛焊料的焊接特性分析，得出峰值溫度為228～232℃，液相線以上時間為50～60s的回流曲線能較好完成有鉛焊料對無鉛BGA的焊接[4]。本案例中采用的焊接參數(shù)，峰值溫度為243℃，回流時間68s，高于峰值溫度232℃，液相線以上時間為50～60s的要求，存在峰值溫度過高，回流時間偏長的問題。

3.3.1 富磷層形成原因及危害

對于ENIG 處理的焊盤，在焊接過程中，鍍層中的鎳和焊料中的錫發(fā)生反應(yīng)，形成Ni3Sn4合金層，鎳鍍層中的磷不和焊料發(fā)生反應(yīng)[5，6]，鎳層和焊料形成合金層之后，鎳層里均勻分布的磷聚集在鍍層和合金層交界位置，形成富磷層。在外來應(yīng)力作用時，富磷層是薄弱位置，富磷層越厚，焊點強(qiáng)度越低，影響焊點可靠性。因此文獻(xiàn)[7]建議IMC層厚度控制在1～2μm為最佳。本案例中峰值溫度過高，回流時間偏長，造成IMC較厚，界面位置聚集的磷較多，富磷層更明顯。富磷現(xiàn)象嚴(yán)重，大大降低了焊點強(qiáng)度。在電裝操作和運輸中受到本應(yīng)可以承受的微小應(yīng)力，焊點也會發(fā)生開裂。

3.3.2 銅含量偏高原因及危害

銅異常擴(kuò)散進(jìn)入錫鎳IMC層中必然改變其結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性能，使IMC層脆性增加而與鎳鍍層的結(jié)合力減弱，導(dǎo)致焊點無法承受本應(yīng)能夠承受的正常應(yīng)力，形成早期失效[7]。IMC層中多個成分分析點的銅含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Sn3.0AgCu0.5焊球中的銅含量，如表3所示。說明銅不可能完全來自于焊球。對IMC層多個點進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)靠近焊盤位置的IMC層中銅含量很高，可達(dá)到10.39wt%，而離焊盤位置較遠(yuǎn)的IMC層中則未檢出銅元素，如圖5、圖6、圖7所示。說明IMC層中的銅元素來自于焊盤中的銅元素擴(kuò)散，鎳層沒能有效阻擋銅的擴(kuò)散，焊盤中的銅經(jīng)過焊接的高溫過程擴(kuò)散進(jìn)入IMC層[8]。高溫及長時間的過度回流加劇了銅擴(kuò)散的發(fā)生。所以本案例中銅元素不當(dāng)擴(kuò)散也與焊接工藝中高溫及長時間的過度回流有關(guān)。

綜上所述，焊點開裂原因是回流焊過程中峰值溫度過高，回流時間過長。造成富磷層過厚和銅異常擴(kuò)散進(jìn)入IMC層，使IMC層和鎳鍍層之間結(jié)合力減弱，微小應(yīng)力作用下即發(fā)生開裂。

3.4 工藝改進(jìn)

表3 改進(jìn)樣品與失效樣品焊接參數(shù)對比

根據(jù)實驗分析，選取同一批次樣品，改變工藝參數(shù)，保持其他參數(shù)不變，縮短回流時間，降低峰值溫度進(jìn)行焊接，并對改進(jìn)樣品進(jìn)行切片分析，觀察開裂情況是否有改善，測量IMC層和富磷層厚度。改進(jìn)前后的工藝參數(shù)見表3。

圖9 改進(jìn)樣品焊點截面代表性SEM形貌

對改進(jìn)樣品進(jìn)行掃描電鏡截面觀察，如圖9所示，焊球與焊盤間形成連續(xù)IMC層，IMC層平均厚度1.87μm，IMC層與鎳層間富磷層平均厚度458nm。與失效樣品相比，IMC層和富磷層厚度都大大降低。說明峰值溫度和回流時間是影響IMC層和富磷層厚度的重要因素。高峰值溫度和長回流時間會造成IMC層和富磷層過厚，通過降低峰值溫度，縮短回流時間可有效改善該問題。對器件多排焊點進(jìn)行切片觀察，均未發(fā)現(xiàn)焊點開裂情況。說明采取的措施有效解決了富磷層過厚帶來的焊點開裂問題，提高了焊點質(zhì)量。

圖10 改進(jìn)樣品IMC層成分分析

對改進(jìn)樣品IMC層進(jìn)行成分分析，如圖10所示，未發(fā)現(xiàn)銅元素。說明降低峰值溫度，縮短回流時間，有效地改善了銅元素的不當(dāng)擴(kuò)散問題。避免了銅元素擴(kuò)散進(jìn)入錫鎳IMC層造成的結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性能改變，降低焊點開裂風(fēng)險。

4 結(jié)束語

在ENIG焊盤上焊接時，由于焊接工藝不當(dāng)，過高的峰值溫度和長時間的過度回流，一方面造成IMC層過度生長，磷富集情況嚴(yán)重；另一方面造成IMC層中銅的不當(dāng)混入。富磷層的形成造成焊點界面嚴(yán)重弱化，錫鎳IMC層中的銅改變IMC結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性能，使IMC層脆性增加而與鎳鍍層的結(jié)合力減弱。兩種因素共同作用使焊點可靠性大大降低，受微小應(yīng)力即發(fā)生焊點開裂失效。

預(yù)防此種原因?qū)е碌暮更c開裂，可以采取以下措施：

a. 嚴(yán)格控制ENIG焊盤鎳層中的磷含量，對PCB焊盤進(jìn)行來料檢驗，剔除鎳層中磷含量過高的板件，根據(jù)IPC—4552A要求，至少每個季度檢查一次鍍層中磷含量，磷含量控制在10wt%以下，防止焊接過程中磷富集過多。通過表面和截面觀察，評估焊盤質(zhì)量，剔除有鍍層開裂的物料；

b. 在焊接過程中盡量減少單板加工過程中的熱過程，將金屬間化物的厚度控制在最佳的1～2μm左右，可以通過降低峰值溫度、縮短回流時間的方法降低IMC層厚度。PCB焊盤采用ENIG表面處理工藝，焊料為Sn63Pb37有鉛焊料，BGA焊球是Sn3.0AgCu0.5焊料時，峰值溫度不超過236℃，回流時間不超過60s，可以將IMC層厚度控制在2μm以下。

采取新工藝時，需要做大量的工藝優(yōu)化試驗，除了從外觀檢查焊點的狀況以外，還需要從微觀的角度檢查其可靠性以及潛在的可靠性風(fēng)險。在ENIG焊盤上焊接時，采用金相切片方法，對焊點截面使用掃描電子顯微鏡觀察，IMC層厚度超過2μm的焊點，可能存在焊點強(qiáng)度不足的問題，有斷裂風(fēng)險，需要排除隱患，防止后續(xù)使用過程中失效造成損失。

1 周斌，邱寶軍．ENIG焊點的失效機(jī)理及鍍層重工方法研究[J]．半導(dǎo)體技術(shù)，2010，35(7)：691～694

2 Zeng K J, Stierman R, Abbott D, et al. Root cause of black pad failure of solder joints with electroless nickel/immersion gold plating [C]．Conference on Thermal & Thermomechanical Phenomena in Electronics Systems. IEEE, 2006

3 王曉明，范燕平. 錫鉛共晶焊料與鍍金層焊點的失效機(jī)理研究[J].航天器工程，2013，22(2)：108～112

4 徐馳，包曉云. 有鉛焊料焊接無鉛BGA回流參數(shù)探索[J]. 電子工藝技術(shù)，2011，32(6)：342～345

5 Huang Xingjia, Lee Ricky S W, Li Ming, et al. Gold Embrittlement of Solder Joints in Wafer-Level Chip-Scale Package on Printed Circuit Board With Ni/Au Surface Finish[J]. IEEE Transactions On Electronics Packaging Manufacturing, 2008, 31(3): 185～191

6 Chuang H Y, Yang T L, Kuo M S, et al. Critical Concerns in Soldering Reactions Arising from Space Confinement in 3-D IC Packages[J]. IEEE Transactions On Device And Materials Reliability, 2012,12(2): 233～240

7 羅道軍. 化學(xué)鎳金焊盤的兩大潛在問題及其預(yù)防[C]// 中國電子學(xué)會第十四屆青年學(xué)術(shù)年會

8 羅道軍，鄒雅冰. 無鉛焊點失效之銅擴(kuò)散機(jī)理[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報，2007(S2)：120～122

Causes and Measures for Crack of BGA Solder Joints on ENIG Pad

Du Xiaoyan1Liu Jianjun2Zhang Yongzhong1Li Xin3

(1. Intelligent Electronic Manufacturing Research Center of Beijing City University, Beijing 100083; 2. Beijing Shiny Tech. Co., Ltd., Beijing 100039; 3. Beijing Institute of Computer Technology and Applications, Beijing 100039)

In this paper, metallographic sectioning, scanning electron microscope (SEM), X-ray energy spectrometer (EDS) and other analytical methods are used to study PCB solder joint cracking samples processed by ENIG (Electroless Nickel and Immersion Gold, ENIG) process. The research results show that the reason for the cracking of the solder joints on the PCB pads treated by the ENIG process in this sample is improper control of the reflow soldering process parameters, which leads to excessive phosphorus enrichment at the reaction interface, forming a phosphorus-enriched layer, and copper diffusion through nickel from the layer to the reaction interface, be a part of IMC (Intermetallic Compound, IMC), the strength of the solder joint interface is seriously weakened under the action of dual factors, and cracks occur under the action of external stress.

ENIG；phosphorous-enriched layer；failure analysis；copper embrittlement

F407.63

A

杜曉妍（1992），助理研究員，材料專業(yè)；研究方向：半導(dǎo)體封裝、封裝仿真分析、電子產(chǎn)品可靠性。

2021-06-18