不同焊盤/焊料組合PBGA 焊點熱疲勞壽命預計

路 韜，黃友朋，黨三磊，趙 聞，王宏芹

(1.廣東電網有限責任公司計量中心，廣東廣州 510062；2.工業和信息化部電子第五研究所，廣東廣州 510610)

盡管關于焊點熱疲勞可靠性的研究已經取得了很多成果[1-3]，但是在不同類型焊點熱疲勞退化微觀特征(有鉛/無鉛/混裝焊點、微納尺寸焊點、電遷移等)、焊點壽命預計及風險分析等方面依然亟待深入研究[4-7]。例如，在一件印制電路板組件(PCBA)中，同時使用了不同引腳鍍層(有鉛/無鉛)的元器件，組裝后便存在有鉛、混裝兩類焊點，其焊點熱疲勞可靠性、微觀組織特征演變等規律目前尚不清晰[8]；此外，充分掌握典型封裝類型元器件比如BGA 組裝到印制電路板(PCB)不同焊盤鍍層(如HASL、ENIG、OSP 等)所形成的焊點可靠性差異，可以為工藝設計和決策提供技術參考。此外，雖然焊點熱疲勞壽命預測方面已經存在較多的技術方法和物理模型，但是關于不同預計方法之間究竟存在多大差異、什么情況可以用高效低成本的技術方法來預測焊點熱疲勞壽命，已公開的對比性研究成果較少。

因此，本研究針對HASL 和ENIG 兩種PCB 焊盤鍍層，選取典型表面貼裝元器件PBGA 開展了熱疲勞可靠性研究，希望為焊盤表面鍍層和組裝方法的優選、高可靠性要求的電子產品在惡劣溫度條件下的熱疲勞壽命預計提供技術參考。

1 試驗

表1 為所采用的PBGA 器件(含有菊花鏈)信息。

表1 PBGA 器件的封裝尺寸信息Tab.1 Package parameter information of the PBGA device

參考行業標準IPC9701[9]，采用溫度循環試驗作為熱疲勞可靠性研究的試驗方法，溫度循環試驗條件如下:低溫溫度為-55 ℃，低溫停留時間為10 min；高溫溫度為+145 ℃，高溫停留時間為10 min；溫度變化速率為15 ℃/min。

試驗樣品信息見表2，試驗所用的樣品外觀照片見圖1(a)-(c)。1 塊PCB 上設置4 件PBGA(4 拼板)，對應與PBGA 器件的菊花鏈結構所設計的PCB側焊盤及菊花鏈設計情況見圖1(d)。以位號U2 的PBGA 為例，焊接后PCB 側焊盤與器件側菊花鏈焊盤形成了完整電阻通路；PCB 菊花鏈焊盤四邊設置了人工抽測焊盤，而P4 和P2 為在線電阻檢測焊盤，為了保證過程測試精度，P4 和P2 焊盤尺寸稍大些。

表2 溫度循環試驗的PBGA 樣品Tab.2 PBGA samples for the thermal cycle experiment

為了便于樣品描述，將無鉛工藝制備的ENIG 焊盤鍍層上無鉛PBGA 樣品簡寫為ENIG+無鉛PBGA 樣品，將錫鉛工藝制備的HASL 焊盤鍍層上的錫鉛PBGA 樣品簡寫為HASL+有鉛PBGA 樣品，將后向兼容混裝工藝制備的HASL 焊盤鍍層上的無鉛PBGA 樣品簡寫為HASL+無鉛PBGA 樣品。

在溫度循環試驗過程中，實時監測每個PBGA 器件的總電阻情況(PBGA 單個焊點的電阻阻值太小，無法實施在線電阻監測)。參考電子行業標準IPC9701，出現連續5 次PBGA 器件電阻監測結果增加到初始值的20%以上，可以判定該PBGA 器件焊點發生互連失效。當PBGA 器件累積失效率達到或超過樣品總數63.2%時，溫度循環試驗可以截尾，亦可以做到全部樣品發生失效。

圖1 典型外觀照片Fig.1 Respective appearance of samples

試驗過程中，分別實時監測高溫停留階段和低溫停留階段的電阻，將每個溫度循環中所測的高溫停留階段電阻值和低溫停留階段電阻值進行直線相連，所得電阻監測典型結果如圖2 中方塊符號的黑色線所示。另外，圖2 中圓形符號的紅色線和三角符號的藍色線分別為第一個溫度循環中高溫停留階段和低溫停留階段電阻值的1.20 倍，即高溫停留階段和低溫停留階段的電阻失效判定線。由于電阻率隨著溫度的升高而增大，所以高溫停留階段的電阻失效判據值大于低溫停留階段電阻失效判據值。

圖2 實時電阻監測典型結果Fig.2 Typical result of in-situ resistance monitoring

未發生失效時，高溫停留階段所測電阻值和低溫停留階段所測的電阻值分別小于高溫停留階段的電阻失效判據值和低溫停留階段電阻失效判據值。高溫停留階段所測電阻增大至/超過其高溫停留階段電阻失效判據值(圓形符號的紅色線)時，判定PBGA 器件在該溫度循環的高溫停留階段首先發生失效；而當低溫停留階段所測電阻增大至/超過其低溫停留階段電阻失效判據值(三角符號的藍色線)時，則判定PBGA 器件在該溫度循環的低溫停留階段首先發生失效(圖2 為1189 個溫度循環低溫停留階段發生失效)。

2 結果與討論

2.1 試驗前樣品組裝焊點基準質量確認

采用SEM 觀察了溫度循環試驗前三類PBGA 樣品(各隨機抽檢1 件PBGA)的焊接界面微觀特征，發現器件側和PCB 側的焊接界面處都形成了連續均勻的金屬間化合物(IMC)，如圖3-5 所示，可以推斷所有PBGA 樣品焊接良好。

2.2 溫度循環試驗結果

(1) ENIG+無鉛PBGA 樣品的溫度循環試驗結果

在溫度循環試驗過程中，一旦PBGA 器件發生電阻失效，便取出樣品進行微觀分析，發現大部分BGA焊點邊角位置出現明顯的晶間裂紋，但未發現貫穿性宏觀裂紋，典型圖片如圖6 所示，PBGA 器件電阻增大進而發生電阻失效，應該為PBGA 器件所有BGA 焊點邊角小尺寸裂紋的累積效應。

圖3 ENIG+無鉛PBGA 樣品焊點的SEM 觀察結果Fig.3 SEM observation of ENIG+lead-free PBGA

圖4 HASL+有鉛PBGA 樣品焊點的SEM 觀察結果Fig.4 SEM observation of HASL+lead-tin PBGA

圖5 HASL+無鉛PBGA 樣品焊點的SEM 觀察結果Fig.5 SEM observation of HASL+lead-free PBGA

圖6 溫度循環試驗后ENIG+無鉛PBGA 樣品焊點典型SEM 結果Fig.6 SEM observation of ENIG+lead-free PBGA after thermal cycle test

分別采用最小二乘法和極大似然法對ENIG+無鉛PBGA 樣品焊點熱疲勞失效數據進行Weibull 擬合分析，數據擬合結果如圖7 所示。

其中，最小二乘法估計的累積失效率函數為F(x)=1-e-(x/1782)8.97，特征壽命θ=1782，形狀參數β=8.97，相關性為0.968；極大似然法估計的累積失效率函數為F(x)=1-e-(x/1774)10.04，特征壽命θ=1774，形狀參數β=10.04。

圖7 ENIG+無鉛PBGA 樣品的溫度循環失效數據的Weibull 擬合結果Fig.7 Weibull distribution fitting result of ENIG+lead-free PBGA

(2) HASL+有鉛PBGA 樣品的試驗結果

同樣方法，觀察HASL+有鉛PBGA 樣品的電阻失效焊點微觀結構，如圖8 所示，焊點邊角位置存在明顯的晶間裂紋。

同樣，分別采用最小二乘法和極大似然法對HASL+有鉛PBGA 樣品焊點熱疲勞失效數據進行Weibull 擬合分析，數據擬合結果如圖9 所示。其中，最小二乘法估計的累積失效率函數為F(x)=1-e-(x/1240)11.72，特征壽命θ=1240，形狀參數β=11.72；極大似然法估計的累積失效率函數為F(x)=1-e-(x/1240)12.54，特征壽命θ=1240，形狀參數β=12.54。

(3)HASL+無鉛PBGA 樣品的溫度循環試驗結果

同樣方法，HASL+無鉛PBGA 樣品的電阻失效焊點微觀結構觀察典型結果如圖10 所示，可以看出BGA 焊點邊角位置上同樣出現了宏觀裂紋，也未發現貫穿性宏觀裂紋。

圖8 溫度循環試驗后HASL+有鉛PBGA 樣品焊點典型SEM 結果Fig.8 SEM observation of HASL+lead-tin PBGA after thermal cycle test

圖9 HASL+有鉛PBGA 樣品的溫度循環失效數據的Weibull 擬合結果Fig.9 Weibull distribution fitting result of HASL+lead-tin PBGA

同樣，分別采用最小二乘法和極大似然法對HASL+無鉛PBGA 樣品焊點熱疲勞失效數據進行Weibull 擬合分析，數據擬合結果如圖11 所示。

圖10 溫度循環試驗后HASL+無鉛PBGA 樣品焊點典型SEM 結果Fig.10 SEM observation of HASL+lead-free PBGA after thermal cycle test

其中，最小二乘法估計的累積失效率函數為F(x)=1-e-(x/2254)2.63，特征壽命θ=2254，形狀參數β=2.63；極大似然法估計的累積失效率函數為F(x)=1-e-(x/2113)3.54，特征壽命θ=2113，形狀參數β=3.54。

圖11 HASL+無鉛PBGA 樣品的溫度循環失效數據的Weibull 擬合結果Fig.11 Weibull distribution fitting result of HASL+lead-free PBGA

2.3 焊點壽命預計

(1)基于數理統計和威布爾擬合的三類PBGA 焊點壽命預計

圖12 為三種類型樣品焊點最小二乘法和極大似然法估計的溫度循環失效數據威布爾分布擬合結果。可以看出，三種焊點的熱疲勞失效均可用Weibull 分布擬合，但是HASL+無鉛PBGA 樣品焊點(后向兼容混合工藝焊點)的Weibull 分布相關性低于其他兩種類型的焊點，其曲線在Weibull 分布圖中與其他兩類焊點的擬合曲線相交。

圖12 三種類型PBGA 焊點熱疲勞失效數據的威布爾分布對比Fig.12 Weibull distribution fitting comparison of the investigated three type PBGA solder joints

相對于另外兩種焊點，在累積失效率40%以上，HASL+無鉛PBGA 樣品焊點(后向兼容混合工藝焊點)壽命為最佳，而低于累積失效率20%時卻最差，這表明，盡管未發現HASL+無鉛PBGA 樣品焊點(后向兼容混合工藝焊點)存在焊接質量問題，但在可靠性要求高的行業中，仍需慎重選擇其應用。不僅要對裝配質量進行評價，而且要進行充分的可靠性試驗，以確定工藝方法和工藝參數適用性。

設定可接受累積失效率為0.001，三類PBGA 焊點在兩種估計方法下的累積失效率函數和壽命預測結果對比，見表3。

對比表3 三類焊點的最小二乘法和極大似然估計法的計算結果，可以看出無刪失數據的情況下，兩種估計方法所得結果差距較小；而有刪失數據的情況下(HASL+無鉛PBGA 樣品焊點)，兩種估計方法所得結果差距較大，確認極大似然估計更適用于含有刪失數據的可靠性數據處理。

表3 累計失效率0.001 條件三類PBGA 焊點不同估計方法壽命預計結果Tab.3 Life prediction results of three kinds of PBGA solder joints with different estimation methods under acceptable cumulative failure rate of 0.001

(2)試驗數據數理統計法與傳統物理模型計算法所得熱疲勞壽命結果對比

參考標準IPC-SM-785，在低周熱疲勞失效模式下，焊點的溫度循環壽命與應變關系通常可用修正的Coffin-Manson 模型來描述[10]:

式中:Nf(x%)為累積失效率x%時的溫度循環數；εf'為疲勞延性系數；F為經驗系數，通常取1；h為PBGA 焊球高度；LD為焊點最大間距；αC為元器件的熱膨脹系數；αS為基板的熱膨脹系數；Δα為PCB 基板與BGA 的熱膨脹系數差值；TS為高溫停留階段穩定的基板溫度；TS，0為低溫停留階段基板溫度；ΔTS為溫度循環中基板溫度擺幅；TC為高溫停留階段穩定的器件溫度；TC，0為低溫停留階段器件溫度；ΔTC為溫度循環中器件溫度擺幅；ΔTe為等效循環溫度擺幅；疲勞延性指數c與溫度循環條件有關；TSJ為溫度循環中焊點平均溫度；tD為1/2 循環中高低溫度停留時間，單位min；x為N個循環后可接受累積失效率，單位為%；β為威布爾形狀參數，未知的情況下，無引腳器件取4，有引腳器件取2。

以HASL+有鉛PBGA 樣品焊點的溫度循環試驗結果為例，采用公式(1)-(4)計算不同累積失效率的焊點熱疲勞壽命(失效溫度循環數)，并與Weibull 分布數據擬合(最小二乘、95%置信區間)的壽命計算結果進行對比，對比結果見表4。

表4 采用數理統計方法（Weibull 分布擬合方法）與物理模型計算法（IPC-SM-785 推薦）所得PBGA 焊點熱疲勞壽命預計結果對比Tab.4 Comparison of thermal fatigue life prediction results of PBGA solder joint with mathematical statistics method（Weibull distribution fitting method）and physical model calculation method（recommended by IPC-SM-785）

由表4 可以看出，在累積失效率75%的情況下，兩種計算方法所得壽命預計結果最接近。如果以不超過200 個循環作為兩種計算方法結果相一致的判據，則在累積失效率40%～95%范圍內，可以參考標準IPC-SM-785 所推薦的壽命計算方法來做焊點壽命粗略預計；但是對于高可靠性要求(可接受累積失效率較低，如1%)的焊點，兩種方法結果偏離較大，需要結合可靠性試驗，采取數理統計方法來預計焊點熱疲勞壽命。

3 結論

(1)電子行業標準IPC-SM-785 所推薦的焊點熱疲勞壽命預計物理模型不適用于高可靠性要求下的焊點熱疲勞壽命預計，應該結合焊點服役工作剖面和可靠性指標，通過可靠性試驗來做高可靠性要求下的焊點熱疲勞壽命預計。

(2)在工作溫度范圍較大、可靠性要求較高的場合，慎用PBGA 焊點后向兼容混裝工藝。

(3)有刪失數據的情況下，應該采用極大似然估計法做可靠性數據擬合處理。