BGA焊點可靠性工藝研究

巫建華

（中國電子科技集團(tuán)公司第43研究所，合肥 230022）

1 引言

隨著電子產(chǎn)品向便攜式、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體方向的迅速發(fā)展，對多芯片組件的封裝技術(shù)提出了更高要求，新的高密度封裝技術(shù)不斷涌出，BGA就是近年來興起的新型高密度封裝工藝。BGA改變傳統(tǒng)封裝采用的周邊引線方式，變成在基板下面面陣排列引出腳，并將引出腳改為Pb/Sn焊料凸點。與傳統(tǒng)的封裝形式相比，BGA具有單位面積上的I/O數(shù)多，引線電感和電容小，散熱效果好、對位要求低等優(yōu)點，從而使其逐漸成為現(xiàn)代封裝技術(shù)的主流。但BGA的焊點質(zhì)量和可靠性不能依靠常規(guī)的目檢來檢查，即使專用檢測設(shè)備也不能對BGA 的焊接質(zhì)量進(jìn)行定量判定，這些都成為制約BGA封裝技術(shù)發(fā)展的重要因素。因此，研究提高BGA焊點可靠性的有效方法顯得相當(dāng)重要，提高焊點的可靠性問題成為了BGA 技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

2 試驗

2.1 試驗基板的制作工藝

試驗基板材料為96%Al2O3，尺寸 26.0mm×26.0mm×1.0mm，膜層為采用Dupont4093印制的Pt-Pd-Ag，其中，膜層厚度20 μm，試驗基板的制作工藝流程如圖1所示。

2.2 BGA植球工藝

我們采用16×16全陣列BGA分布方法，其中焊球的直徑為0.76mm，間距為1.5mm，BGA植球工藝如圖2所示，焊接后的BGA試驗樣品如圖3所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 焊球材料選擇對空洞的影響

目前市場上銷售的焊料品種很多，考慮到成本因素及工藝的可行性，Pb/Sn焊料應(yīng)用最為廣泛。BGA焊球的生產(chǎn)公司也比較多，世界上幾家主要公司生產(chǎn)的BGA焊球用材料如表1所示。一般來說，Pb含量越高，焊料的熔點溫度越高，但在混合集成電路中某些元器件在經(jīng)受高溫時很容易損壞，另外過高的溫度可能造成基板翹曲、應(yīng)力變大。 對于工作溫度不超過150℃的產(chǎn)品，一般采用37Pb/63Sn的焊料。在BGA的植球工藝中，我們就采用這種含量的焊膏，其熔點溫度為183℃。

BGA焊球材料的選擇將直接導(dǎo)致焊接后其形態(tài)的變化，如果焊球熔點溫度高于焊接溫度，焊球不參與反應(yīng)，只是焊盤上印制的焊膏與Pd、Ag發(fā)生反應(yīng)形成金屬化合物，依靠金屬化合物實現(xiàn)焊點的機械連接和電連接。但當(dāng)焊球熔點溫度低于焊接溫度，焊球就會與焊盤上的焊膏熔為一體，并且可能參與到化學(xué)反應(yīng)當(dāng)中。

BGA的典型缺陷包括：連焊、開焊、焊球丟失、空洞、大焊錫球和焊點邊緣模糊。其中空洞是引起焊接失效的主要原因。圖4、圖5分別為37Pb/63Sn和90Pb/10Sn兩種焊球的焊接斷面，可以看出采用90Pb/10Sn焊球時焊接面空洞比較小?？斩粗饕菦]有排盡的助焊劑引起的，焊盤表面污染也有可能形成空洞，空洞中的氣體可能會在溫度循環(huán)試驗中產(chǎn)生收縮和膨脹的應(yīng)力作用，其存在的地方大多為應(yīng)力集中點，并有可能成為產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的根本原因。

一般單個空洞面積不得超過整個焊接面積的10%，總體空洞面積不得超過整個焊接面積的25%，當(dāng)空洞面積過大時，就視為一種缺陷，會對焊點的機械或電可靠性造成隱患，所以改進(jìn)工藝減小空洞產(chǎn)生是焊接必須要考慮的因素。

試驗中采用37Pb/63Sn 焊球的焊接空洞比較多，主要因為焊球本身可能就在焊接前帶有空洞，焊接時當(dāng)與焊膏熔為一體時，在表面張力的作用下，液體表面有自動縮成最小的趨勢，導(dǎo)致空洞里的氣體和焊膏里的助焊劑不易排出。

3.2 焊膏厚度對BGA焊接性能的影響

SMT工藝中能最好預(yù)示焊點強度的是焊點形狀，而能最佳地預(yù)示焊點形狀的是焊膏量。在BGA工藝中，焊膏量的多少將直接影響焊接的質(zhì)量。當(dāng)焊膏量過多時，容易引起焊球的橋連和焊錫飛濺現(xiàn)象。焊錫飛濺是焊接中比較棘手的問題，這種現(xiàn)象主要由焊劑排氣而引起。在預(yù)熱階段這種排氣作用超過了焊膏的內(nèi)聚力，促進(jìn)了焊膏形成孤立的團(tuán)粒，焊接后這些熔化的孤立焊膏就粘在B G A焊球或Al2O3陶瓷基板上，這些細(xì)小的焊錫粒不容易清洗，在經(jīng)過振動后很容易成為活動的多余物，造成電子產(chǎn)品的短路；而當(dāng)焊膏量過少，就會造成BGA 焊球連接不充分。為了避免焊膏印制過量，在制作不銹鋼模板時可以將印刷孔的尺寸制成相應(yīng)焊盤面積的90%左右。

另外焊膏量對于BGA剪切強度有很大影響，于是在印制焊膏時我們改變焊膏厚度，在相同的焊接條件下，測定焊膏厚度與剪切強度關(guān)系。圖6給出了兩者之間的關(guān)系。

從圖6中可以看出，當(dāng)焊膏厚度<0.15mm時，焊球剪切強度基本隨焊膏厚度增加而增加，而當(dāng)焊膏厚度>0.15mm時，焊球剪切強度基本達(dá)到最大，并且其值與焊膏厚度的關(guān)系不大，大都在40N.mm-2附近變動。主要因為當(dāng)焊膏厚度<0.15mm時，焊膏量相對比較少，導(dǎo)致BGA焊球與Pd、Ag焊盤的焊接面積小，從而減小了BGA焊球的剪切強度。但為了避免焊球的橋連和焊錫飛濺，在保證焊接強度的情況下，焊膏厚度不宜過厚，一般控制在0.15mm～0.2mm之間。

3.3 焊接溫度曲線對剪切強度影響

再流焊一般分為四個階段：預(yù)熱、浸潤、熔化和冷卻。預(yù)熱階段基板均勻受熱，并刺激助焊劑活躍，理想升溫速度為2℃.s-1。浸潤階段基板緩慢升溫，助焊劑起活化作用，去除氧化物并逐漸揮發(fā)。為使助焊劑充分揮發(fā)，避免在焊接時因焊劑的存在而造成空洞和焊錫飛濺等現(xiàn)象，溫度應(yīng)該在140℃～160℃間保持60s～120s。當(dāng)焊接溫度超過焊料的熔點溫度時為熔化階段，這一階段實質(zhì)上是固態(tài)的金屬和熔融的焊料相互反應(yīng)形成金屬化合物的過程，焊接就是通過這些化合物實現(xiàn)機械連接和電連接。冷卻階段焊膏開始凝固，控溫一般為3℃.s-1，過快會使應(yīng)力變大，導(dǎo)致BGA焊球與基板間產(chǎn)生微小裂紋，理想的焊接曲線如圖7所示。

在再流焊工藝的四個階段中，最為關(guān)鍵的是熔化階段，此階段金屬原子發(fā)生了相互擴(kuò)散，形成Ag-Sn、Pd-Sn 等金屬化合物。金屬原子間的擴(kuò)散速度與焊接溫度和時間有關(guān)，焊接溫度越高，時間越長，原子的擴(kuò)散就越活躍，不同原子之間形成的金屬化合物就越多，這種化合物的厚度與焊點機械連接強度有直接關(guān)系。由于化合物是脆性的，太薄或太厚的合金層都將削弱焊點的剪切強度，一般0.5 μ m～4μm的合金層厚度最佳。當(dāng)厚度＜0.5 μm時，金屬間合金層太薄，幾乎沒有強度；而厚度＞4 μ m時，金屬間合金層太厚，金屬間結(jié)合層的結(jié)構(gòu)疏松、發(fā)脆，會使連接處失去彈性，這樣也會導(dǎo)致剪切強度減小。

另外當(dāng)溫度繼續(xù)升高、時間進(jìn)一步延長時，Sn/Pb焊料中的Sn不斷向Pd、Ag表面擴(kuò)散，在焊料一側(cè)只留下Pb，形成富Pb層。 金屬化合物和富Pb層之間的界面結(jié)合力非常脆弱，當(dāng)受到溫度、振動等沖擊，就會在焊接界面處發(fā)生裂紋。

所以說焊接溫度和時間對于BGA焊球剪切強度有很大影響。理論上焊接溫度要比焊料的熔點溫度高30℃～50℃，焊接時間一般為焊料熔化后的3s～10s?？紤]到Al2O3陶瓷基板的尺寸大小和BGA焊球分布數(shù)量，我們設(shè)定相同的焊接時間5s，改變焊接溫度，測定焊接溫度與剪切強度關(guān)系，圖8給出了兩者之間的關(guān)系。

由圖8可見，溫度在220℃～240℃時BGA焊球剪切強度基本達(dá)到最大，當(dāng)溫度>240℃其剪切強度呈下降趨勢。

為了進(jìn)一步檢驗焊點的抗疲勞強度，對220℃溫度下焊接的樣品進(jìn)行150℃、1 000h的高溫貯存，其中老化時間與焊球剪切強度的關(guān)系如圖9所示。

由圖9可見，焊球的剪切強度呈下降趨勢，并且開始下降的速度快，隨著貯存時間的增加，這種下降的趨勢趨于平緩。這主要是因為在老化試驗中焊點的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，這種變化導(dǎo)致合金層機械特性的改變。在高溫老化中，Pd、Ag會繼續(xù)和Pb、Sn發(fā)生擴(kuò)散形成金屬化合物，這些化合物受熱會引起體積的增大，從而妨礙了金屬原子間的擴(kuò)散速度，并且化合物越厚，其阻礙金屬原子擴(kuò)散速度的能力越強，所以老化試驗的開始階段焊點的剪切強度下降快。

根據(jù)GJB548B-2005方法2019.2的標(biāo)準(zhǔn)，直徑為0.76mm的BGA焊球?qū)?yīng)剪切強度為12N.mm-2，而經(jīng)過老化試驗后最小的焊球剪切強度為25N.mm-2，遠(yuǎn)大于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。圖10是老化試驗后焊球剪切斷面，可以看出金屬導(dǎo)體沒有受到熔蝕，試驗證明，焊膏厚度和焊接溫度設(shè)定完全滿足剪切強度的要求。

4 結(jié)論

（1）BGA焊球材料對焊接空洞有影響，選擇焊球熔點溫度高于焊接溫度時，焊接空洞比較少。

（2）焊膏厚度影響B(tài)GA焊球的剪切強度，當(dāng)焊膏厚度<0.15mm時，焊球剪切強度基本隨焊膏厚度增加而增大，而當(dāng)焊膏厚度>0.15mm時，焊球剪切強度基本達(dá)到最大，為了避免出現(xiàn)焊錫飛濺和橋連現(xiàn)象，焊膏厚度不宜過厚，一般控制在0.15mm～0.2mm之間。

（3）焊接溫度對BGA焊球的剪切強度影響較大，220℃是較為理想的焊接溫度，采用此溫度焊接可以避免冷焊、過焊現(xiàn)象發(fā)生。

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