CBGA器件焊接工藝與焊點失效分析

李 苗，孫曉偉，宋惠東，程明生

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230031)

1 引言

隨著集成電路封裝技術向小型化、高密度和高可靠性等方向發展，陣列封裝形式成為當前電子行業的主流技術。陶瓷球柵陣列（Ceramic Ball Grid Array，CBGA）封裝作為一種高密度面陣列排布的表面貼裝封裝形式，近年來被廣泛應用于航空航天等高可靠電子產品中。CBGA封裝通過陶瓷基板上的焊球連接電路I/O端與印制電路板（Printed Circuit Board，PCB），具有高互連密度、優異的熱性能和電性能，且由于其氣密性好、抗濕氣性能高，封裝后的器件長期可靠性較高。然而，CBGA器件焊點由于其材料和結構特性，陶瓷基板熱膨脹系數為7.5×10-6/℃，與FR4基板熱膨脹系數（17.5×10-6/℃）嚴重不匹配，在溫度循環等環境試驗中焊點容易發生開裂，導致器件失效。這也是CBGA封裝可靠性研究主要關心的問題[1-2]。

CBGA器件的組裝是一個復雜的工藝過程，對印制板設計、焊膏印刷工藝和再流曲線設置等都有嚴格要求，任何工藝環節的疏漏都可能影響其最終可靠性[3]。本文采用板級高密度組裝生產線開展CBGA器件裝配工藝研究，通過溫度循環、振動等環境試驗和金相切片、掃描電子顯微鏡（SEM）等質量分析手段對CBGA器件焊點進行分析，并對環境試驗后的焊點失效模式進行分析。

2 試驗方案

本試驗研究采用的陶瓷球柵陣列封裝形式為CBGA272，尺寸為27 mm×27 mm×3.35 mm，焊球直徑為0.76 mm，焊盤節距為1.27 mm，焊球成分為90Pb10Sn。表貼用PCB選用FR4為基材，尺寸為160 mm×100 mm×2.35 mm，焊盤表面處理采用熱風整平錫鉛工藝?；亓骱附铀煤父喑煞譃?2Sn36Pb2Ag，其熔點為179℃。

采用板級高密度組裝生產線開展CBGA器件裝焊工作。表貼完成后采用X-Ray設備和微間隙設備檢查CBGA器件貼裝精度，確保裝配滿足要求后進行回流焊接。試驗共導入2條焊接曲線，具體參數如表1所示。1#曲線設置除滿足CBGA器件焊接外，同時考慮無鉛PBGA器件有鉛化焊接，2#曲線設置除滿足CBGA器件焊接外，還考慮無鉛PBGA器件混裝焊接。CBGA器件焊接完成后四角采用環氧膠進行加固。焊接完成后采用X-ray設備檢查CBGA器件焊點是否存在橋連、空洞等。采用微間隙設備檢查CBGA器件焊點形態有無偏移等問題，進而對比分析2條焊接曲線焊點質量。

表1 回流焊接溫度曲線設置參數

試驗完成后，選取最優回流曲線焊接CBGA器件，并對CBGA焊點開展可靠性試驗，分析經歷過環境試驗后焊點的內部結構和開裂形式。溫度循環和振動試驗條件依據標準ECSS-Q-ST-70-38C《高可靠表貼及混裝焊接技術》[4]執行，具體試驗條件如表2所示。

表2 環境試驗具體條件

環境試驗后，借助金相切片方法，通過顯微鏡觀察焊點截面情況，檢查焊點是否存在虛焊、橋連等缺陷，分析焊點失效模式。依據GB/T16594-2008標準通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察器件側和印制板側焊點金屬間化合物（IMC）變化情況。IMC層厚度平均值通過SEM確定成分界面，借助圖像分析軟件獲得IMC面積然后除以界面長度所得。

3 結果與討論

3.1 CBGA器件回流焊接試驗結果

采用多通道實時溫度測試儀對FR4基板進行溫度測試，熱電偶探頭分別監測空氣、CBGA器件、塑封BGA（PBGA）器件和表貼焊盤等區域的溫度點。其中，CBGA和PBGA器件主要監測器件中心點的溫度，熱電偶位置如圖1所示。上述測試點的實測溫度曲線如圖2所示。以62Sn36Pb2Ag液相線179℃為基準線，對2條回流焊接工藝曲線進行溫度-時間定量分析，其中PBGA器件為有鉛無鉛混裝焊接，以Sn+Pb+Ag3Sn+Cu6Sn5四元共晶結構重熔混合焊點的熔化起始溫度204℃為基準線進行溫度-時間定量分析，分析結果如表3所示。

表3 回流焊接溫度曲線實測值分析

圖1 熱電偶安裝示意圖

圖2 實測溫度曲線示意圖

多次實測溫度曲線并進行分析，CBGA器件焊點較表貼焊盤升溫慢，降溫慢，液相線時間較表貼器件長；CBGA器件焊點溫度比表貼焊盤溫度低15℃左右；保溫段結束后，陶瓷器件焊點與表貼焊盤溫差基本為零；CBGA器件與大尺寸PBGA實測溫度曲線基本一致，峰值溫度相差不大。2#曲線PBGA混合焊點混沌區起始溫度（204℃）以上時間為70 s，符合混裝工藝曲線要求[5]。

采用1#曲線焊接的CBGA器件及PBGA器件焊點，未見橋連、虛焊等缺陷。CBGA器件焊點微間隙典型圖片如圖3所示，焊料潤濕焊球一圈，焊球略有偏移。

圖3 1#曲線焊接CBGA器件局部焊點

采用2#曲線焊接的CBGA和PBGA器件X-Ray照片如圖4所示，采用微間隙設備對器件四周焊點進行檢查，發現焊點潤濕飽滿，滿足歐空局等相關標準要求，焊點典型圖片如圖5所示。對比焊接1#曲線和2#曲線，2#曲線焊點外觀形貌較1#曲線潤濕飽滿，排除焊球氧化和貼片誤差導致的偏移，分析認為2#曲線較1#曲線峰值溫度升高，保溫段和液相線以上時間增長，實際焊接過程中陶瓷器件受熱更加均勻，焊料潤濕均勻。考慮項目需求和整板焊接時所有器件的熱容，優選2#曲線進行后續環境試驗。

圖4 2#曲線焊接典型X-Ray圖片

圖5 2#曲線焊接典型微間隙圖片

3.2 環境試驗結果

3.2.1 微間隙設備檢查

采用2#曲線焊接試驗板，焊點檢驗滿足要求后，對制備得到的試驗板進行環境試驗。環境試驗先開展50次溫度循環，然后進行隨機振動，隨后繼續進行50次溫度循環摸底。通過微間隙設備、金相切片以及SEM測試等方法對CBGA器件焊點進行分析。

焊接完成后，采用微間隙設備檢查所有CBGA器件外圍焊點外觀情況，焊點潤濕良好，無偏移等缺陷。環境試驗后部分焊球開始發生偏移。由于陶瓷基板與FR4基板存在熱失配，在溫度循環作用下，大部分焊球發生偏移，焊球偏移量與器件中心距離成正比，中間焊球偏移最少，越靠近器件四角焊球偏移越嚴重，偏移方向朝器件中心偏移，同一焊球在不同階段的外觀情況如表4所示。振動試驗后，焊球偏移量無明顯變化；隨著溫度循環次數的繼續增加焊球偏移量愈加嚴重。

表4 環境試驗后微間隙形貌

3.2.2 金相切片及SEM分析

3.2.2.1 溫度循環+振動試驗結果

選取所有試驗件中焊點外觀質量最差的一個器件進行金相切片，切片位置為器件焊點外觀最差的一邊及斜對角。CBGA器件斜對角焊點代表性金相切片圖片如圖6所示，圖6(a)為焊點整體外觀圖，圖6(b)~(d)分別為左側焊點、中間焊點、右側焊點金相圖片。金相切片結果表明焊球形態與微間隙設備觀察一致，焊球偏移量與器件中心距離越大，偏移程度越大，偏移方向朝器件中心偏移。觀察所有焊點圖片發現CBGA器件焊點潤濕良好，環境試驗后焊點無明顯開裂等異常。

圖6 代表性金相切片圖片（溫度循環+振動試驗后）

CBGA器件所用陶瓷基板與FR4基板存在熱失配，在周期性的溫度循環過程中，兩者變形程度不同，導致焊點產生應力集中。CBGA器件安裝到FR4基板上應變隨溫度變化計算公式為[6]：Δx=DNP×ΔT×(CTE1-CTE2)。Δx為熱失配材料應變量；DNP(Distance from Neutral Point)為距器件中心點的距離；ΔT為溫度變化范圍；CTE1、CTE2分別為2種材料的熱膨脹系數?？梢姡瑧兞颗c2種材料的熱失配程度和服役溫度差呈正相關，且器件尺寸越大，DNP越大，應變量越大。從文獻[6]中可知，該尺寸CBGA器件在該應用環境下需謹慎應用。

陶瓷基板與FR4基板熱膨脹系數相差較大，溫度循環過程中，FR4基板在高溫的作用下發生延伸，溫度降低時，基板來不及收縮導致焊球朝向器件中心擠壓，低溫時FR4基板發生收縮，溫度升高時，基板恢復導致焊球仍呈擠壓狀態，造成應力集中。在周期性的溫度循環作用下，焊球偏移量加大。中間焊球偏移量最小或者不偏移，距器件中心點距離越大，焊球偏移越嚴重，偏移方向朝向器件中心。

SEM結果表明，CBGA器件焊點在元件側以及PCB焊盤側均形成了較為均勻連續的IMC層，測量結果如表5所示，SEM代表性照片見圖7。

表5 IMC層厚度測量結果（溫度循環+振動試驗后）

圖7 代表性SEM圖片（溫度循環+振動試驗后）

3.2.2.2 溫度循環+振動+溫度循環試驗結果

振動試驗后繼續進行溫度循環摸底，試驗完成選取所有試驗件中焊點外觀質量最差的一個器件進行金相切片，切片位置為器件焊點外觀最差的一邊及斜對角。CBGA器件斜對角焊點代表性金相切片圖片如圖8所示，圖8(a)為焊點整體外觀圖，圖8(b)~(d)分別為左側焊點、中間焊點、右側焊點金相圖片。金相切片結果表明隨著溫度循環次數的增加，四角焊球進一步偏移，焊料隨著焊球偏移出現嚴重不均勻分布，中間焊球基本無偏移，焊料分布變化不大；四角焊點出現開裂，開裂位置出現在錫鉛焊料與器件焊盤之間。

圖8 代表性金相切片圖片（溫度循環+振動+溫度循環試驗后）

溫度循環所導致的焊球偏移進一步造成焊點在振動試驗過程中受力不均勻，焊點存在損傷風險，可能誘發裂紋產生。隨著溫度循環的繼續，周期性的溫度應力造成焊球偏移加劇，促使焊點裂紋產生、擴展[7-8]。由于90Pb10Sn焊球的彈性模量（E=19.10 GPa）遠低于62Sn36Pb2Ag焊料（與63Sn37Pb共晶焊料E=43.25 GPa相近）[9]，延伸率高，在溫度載荷和機械載荷交互作用的環境下，62Sn36Pb2Ag焊料與陶瓷器件焊盤接觸位置產生較大的應力集中，首先萌生裂紋，隨著溫度循環的繼續，裂紋沿焊料與器件焊盤接觸界面一直擴展，最終導致焊點失效。

SEM結果表明，隨著溫度循環的繼續，不論是元件側還是PCB焊盤側IMC厚度均有一定程度的增加，測量結果如表6所示。這是因為溫度循環過程中，隨著多次高溫停留時間的累積，Sn和Cu之間的固態反應使IMC層繼續生長變厚[10-11]。但SEM分析可知（如圖9所示），IMC層并未發生明顯變質，其厚度仍在行業所接受的合理范圍0.5~4 μm之間。

表6 IMC層厚度測量結果（溫度循環+振動+溫度循環試驗后）

圖9 代表性SEM圖片（溫度循環+振動+溫度循環試驗后）

4 結束語

本文采用板級高密度組裝生產線開展CBGA器件焊接工藝研究，獲得滿足標準要求的焊點。通過溫度循環和振動等環境試驗考核，借助金相切片、SEM等工藝質量分析手段研究得出：熱失配致使焊球在溫度循環作用下發生偏移，四角焊球偏移最嚴重，中間焊球偏移最少。焊球在溫度循環和隨機振動等綜合應力作用下發生開裂，器件四角處的焊點最先發生開裂，開裂位置為焊料與陶瓷器件焊盤接觸位置。溫度循環試驗后CBGA器件焊點在元件側以及PCB焊盤側形成的IMC層厚度略有增加。