中溫焊料_BGA焊點(diǎn)的熱斷裂失效機(jī)制
中溫焊料: BGA焊點(diǎn)的熱斷裂失效機(jī)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(shù)相比，BGA是使用合金焊料球代替引腳來(lái)完成信號(hào)傳輸，降低了電信號(hào)的傳輸損耗。但是高密度的集成也帶來(lái)了更高的服役溫度，對(duì)BGA的熱老化可靠性帶來(lái)了挑戰(zhàn)。在高溫作用下，焊點(diǎn)內(nèi)部會(huì)持續(xù)產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致疲勞累積，最終可能導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂。
眾所周知IMC的出現(xiàn)是無(wú)鉛錫膏焊接難以避免的。由于IMC在老化過(guò)程的生長(zhǎng)是決定焊點(diǎn)可靠性的關(guān)鍵因素，因此需要了解熱疲勞過(guò)程中的焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)變化，從而推斷出IMC對(duì)BGA焊點(diǎn)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(jìn)行熱循環(huán)測(cè)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。
圖1. BGA焊點(diǎn)示意圖。
BGA焊點(diǎn)老化測(cè)試結(jié)果
如圖2所示。無(wú)鉛焊料SAC305 BGA中的灰色相為Sn，白色相為Pb。在剛完成焊接時(shí)焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)精細(xì)。在600次熱循環(huán)后，Pb進(jìn)一步擴(kuò)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)和BGA-PCB一側(cè)都可以清楚地看到由Pb晶粒進(jìn)一步粗化并積聚形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
圖2. BGA焊點(diǎn)老化測(cè)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)。可以觀察到Sn區(qū)出現(xiàn)了晶粒粗化和再結(jié)晶現(xiàn)象。(Cu,Ni)6Sn5區(qū)則是出現(xiàn)了一定程度的位錯(cuò)。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(zhǎng)的裂紋，并沿著的晶界向外擴(kuò)展(圖4），形成穿晶裂紋。這為焊點(diǎn)連接處斷裂的出現(xiàn)帶來(lái)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(yīng)力時(shí)將更容易出現(xiàn)斷裂。此外，BGA-PCB一側(cè)的D區(qū)會(huì)有晶粒錯(cuò)位。
圖3. 熱循環(huán)3200次后的BGA-芯片界面一側(cè)的微觀結(jié)構(gòu)。(b): 圖(a)的成分分布; (c): 圖(a)虛線區(qū)放大圖; (d): 圖(a)實(shí)線區(qū)放大圖。
圖4. 熱循環(huán)3200次后的BGA-PCB一側(cè)的微觀結(jié)構(gòu)。(b): 圖(a)的成分分布; (c): A區(qū)放大圖; (d): C區(qū)放大圖。
焊點(diǎn)斷裂分析
無(wú)鉛焊料BGA焊點(diǎn)，焊料層和焊盤等材料的熱膨脹系數(shù)不匹配是焊點(diǎn)熱老化失效的主要誘因。當(dāng)元件使用過(guò)程產(chǎn)生熱應(yīng)力，材料的膨脹使得焊點(diǎn)內(nèi)部和表面出現(xiàn)應(yīng)力并逐漸累積。Li等表示Sn晶粒再結(jié)晶和(Cu,Ni)6Sn5的位錯(cuò)能釋放部分應(yīng)力。(Cu,Ni)6Sn5傾向擴(kuò)散到芯片焊盤的Ni層并形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，也可以釋放應(yīng)力。可以知道的是Ni層起到抑制原子擴(kuò)散的作用，減緩IMC生長(zhǎng)，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(zhǎng)速度更快，在應(yīng)力作用下會(huì)出現(xiàn)穿晶裂紋。
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參考文獻(xiàn)
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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