热疲劳载荷作用下不同成分BGA焊点可靠性

针对微电子组装中常见的BGA封装形式,对比采用3种不同成分的BGA焊球和焊膏组合(锡铅共晶焊球和锡铅共晶焊膏Sn63Pb37、Sn3Ag0.5Cu焊球和锡铅共晶焊膏以及Sn3Ag0.5Cu焊球和Sn3Ag0.5Cu焊膏)焊接得到的BGA焊接界面。经过不同周期的热疲劳试验后,在金相显微镜和电子背散射衍射下观察,发现Sn3Ag0.5Cu焊球和锡铅共晶焊膏混装形成的BGA焊点中黑色的富锡相均匀弥散分布在焊球内,在热循环载荷作用下极难形成再结晶,抗热疲劳性能最好。     

SAC BGA元件使用共晶锡铅焊膏的焊点可靠性评定（二）

本文是英特尔公司关于研究Sn—Ag—Cu BGA类型元件使用共晶Pb—Sn焊膏（无铅的向下兼容问题）的一系列研究报告中的第二篇。在此系列研究中所使用的封装类型包括：a）0．5mm间距的vfBGA（极细间距BGA），b）0．8mm间距的SCSP（芯片级尺寸封装），C）1．0mm及1．27mm间距的wbPBGA（引线键合塑封BGA）。本文集中讨论wbPBGA元件与另外两种类型元件在使用共晶Pb-Sn焊膏的向下兼容问题上的对比效果。 元件的组装在标准的Pb—Sn组装条件下使用不同的回流温度曲线。峰值温度的设定从208℃到222℃。回流曲线类型有浸润型曲线（Soak profile）以及帐篷型曲线（Direct ramp up profile）。回流后的结果既有因为Sn—Ag—Cu BGA焊球完全熔化和塌落形成的一致的焊点微观结构，也有由于BGA焊球的部分熔化和塌落形成的非一致的焊点微观结构。焊点可靠性（SJR）的评估是根据温度循环（-40℃至125℃，每30分钟循环一次）以及机械震动测试所产生的失效来分析。焊点可靠性的测试及失效细节分析将在本文中被一一提及。[编者按]     

Sn3.8Ag0.7Cu和Sn37Pb焊点界面显微结构研究

利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）研究了Sn3.8Ag0.7Cu（Sn37Pb）/Cu焊点在时效过程中的界面金属间化合物（IMC）形貌和成份。结果表明：150℃高温时效50、100、200、500h后,Sn3.8Ag0.7Cu（Sn37Pb）/Cu焊点界面IMC尺寸和厚度增加明显,IMC颗粒间的沟槽越来越小。50h时效后界面出现双层IMC结构,靠近焊料的上层为Cu6Sn5,邻近基板的下层为Cu3Sn。之后利用透射电镜观察了Sn37Pb/Ni和Sn3.8Ag0.7Cu/Ni样品焊点界面,结果显示,焊点界面清晰,IMC晶粒明显。     

热疲劳载荷作用下不同成分BGA互连焊点可靠性研究

本文针对微电子组装中常见的BGA 封装形式,对比采用三种不同成分的BGA焊球和焊膏组合（锡铅共晶焊球和锡铅共晶焊膏、Sn3Ag0.5Cu 焊球和锡铅共晶焊膏、以及Sn3Ag0.5Cu焊球和Sn3Ag0.5Cu焊膏）焊接得到的BGA 互连点,经过不同周期的热疲劳试验后,在金相显微镜和电子背散射衍射下观察,发现Sn3Ag0.5Cu焊球和锡铅共晶焊膏混装形成的BGA焊点中黑色的富锡相均匀弥散分布在焊球内,在热循环载荷作用下极难形成再结晶,抗热疲劳性能最好。     

典型Sn基焊料凸点互连结构电迁移异同性

研究了Sn37Pb,Sn3.0Ag0.5Cu和Sn0.7Cu三种焊料BGA焊点在电迁移作用下界面的微观组织结构.在60℃,1×103 A/cm2电流密度条件下通电187h后,Sn37 Pb焊点阴极界面已经出现了空洞,同时在阳极有Pb的富集带;Sn3.0Ag0.5Cu焊点的阴极界面Cu基体大量溶解,阳极金属间化合物层明显比阴极厚;对于Sn0.7Cu焊料,仅发现阳极金属间化合物层厚度比阴极厚,阴极Cu基体的溶解不如SnAgCu明显,电迁移破坏明显滞后.     

典型Sn基焊料凸点互连结构电迁移异同性

研究了Sn37Pb,Sn3.0Ag0.5Cu和Sn0.7Cu三种焊料BGA焊点在电迁移作用下界面的微观组织结构.在60℃,1×103 A/cm2电流密度条件下通电187h后,Sn37 Pb焊点阴极界面已经出现了空洞,同时在阳极有Pb的富集带;Sn3.0Ag0.5Cu焊点的阴极界面Cu基体大量溶解,阳极金属间化合物层明显比阴极厚;对于Sn0.7Cu焊料,仅发现阳极金属间化合物层厚度比阴极厚,阴极Cu基体的溶解不如SnAgCu明显,电迁移破坏明显滞后.     

无铅PBGA组装的有限元分析与寿命预测

本文采用粘塑性hyperbolic-sine本构方程描述了Sn95．5Ag3．8Cu0．7焊料的材料模式。使用通用有限元软件模拟了PBGA（Plastic Ball Grid Array）封装器件焊球阵列在-55℃-125℃热循环作用下应力应变的分布。并采用修正后的热疲劳寿命预测coffin—Masson公式分析预测了该焊料焊点的热疲劳寿命。     

元件焊端镀层对无铅焊点可靠性的影响

电子产品无铅化的转变加速了对元件焊端镀层的无铅化研究，目前候选无铅镀层有纯锡、锡铋或锡铜合金。当然,Sn—Ag—Cu焊料和以上这些镀层结合而构成的焊点的可靠性是大家关注的重点。Sn—Ag—Cu焊料和元件焊端镀层若不相容会导致焊点变脆、强度降低、缺乏热疲劳抵抗力，特别在产品生命周期的后期。对焊点的可靠性影响尤为明显。在本中我们研究了由Sn-3．8Ag-0．7Cu焊料和不同的元件焊端镀层：纯锡、Sn-3Cu、锡铋合金(铋的重量百分比分别为1％、3％、6％)组成的SMT焊点可靠性。中给出了焊点金相分析、焊点老化前和老化后的引脚拉伸测试的试验结果，首次发表了SMT焊点加速热循环试验的结果，也提到了Sn—Bi和Sn—Pb镀层对波峰焊焊点可靠性的少量研究结果。通过我们的研究发现，所有试验元件的无铅镀层和Sn—Ag—Cu焊料构成的焊点性能至少和常规的锡铅焊点一样好。     

SiC基IGBT高铅焊料芯片固晶层的热冲击失效机理

目前大功率SiC IGBT器件常用高熔点的高铅焊料作为固晶材料，为保证功率器件的长期使用，需研究温度冲击条件下高铅焊点的疲劳可靠性，并探究其失效机理。采用Pb92.5Sn5Ag2.5作为SiC芯片和基板的固晶材料，探究温度冲击对固晶结构中互连层疲劳失效的影响。结果表明，温度冲击会促进焊料与SiC芯片背面的Ti/Ni Ag镀层反应生成的块状Ag₃Sn从芯片/焊料层界面往焊料基体内部扩散，而焊料与Cu界面反应生成的扇贝状Cu₃Sn后形成的富Pb层阻止了Cu和Sn的扩散反应，Cu₃Sn没有继续生长。750次温度冲击后，焊料中的Ag与Sn发生反应生成Ag₃Sn网络导致焊点偏析，性质由韧变脆，焊点剪切强度从29.45 MPa降低到22.51 MPa。温度冲击模拟结果表明，芯片/焊料界面边角处集中的塑性应变能和不规则块状Ag₃Sn导致此处易开裂。     

Sn3．5Ag0．7Cu焊料的疲劳特性及铅杂质的影响

含铅焊料应用在电子产品上已超过50年的时间。然而出于环境方面的考虑，在未来的几年含铅焊料的使用将被禁止。作为替代，必须发明不含铅的焊料。对无铅焊料总的要求类似于含铅焊料。它们要求类似的诸如焊接温度及时间工艺参数窗口和相当于含铅焊料或更好的特性。科学家们已研究了许多不同类型的无铅焊料，从中我们选取Sn3、5Ag0．7Cu作为本次研究的对象，因为它可能目前是在欧洲应用最广泛的一种无铅合金。通过下面几项工作中我们研究了Sn3．5Ag0.7Cu的疲劳特性。制成板(PCBA)温度循环(热冲击)试验：用Sn3．5Ag0．7Cu无铅焊料在不同的焊接气氛下将各种不同类型的器件焊在有不同可焊性表面覆层的印制板上，做成试验制成板(PCBA)。将125℃到-15℃的温度循环(热冲击)施与试验制成板并研究板上焊点在经受不同次数的温度循环后其微观组织结构及变化。模型焊点的机械应力循环试验：室温条件下利用特别设计的环一插针模型焊点，Sn3．5Ag0．7Cu无铅焊点被施加机械应力循环并和传统的Sn-Pb焊点进行比较。包含不同铅含量的焊点也被研究以确认铅杂质对无铅焊点特性的影响。比起传统的Sn-Pb焊料，Sn3．5Ag0．7Cu有更好的疲劳特性。然而研究同时发现一个2％-5％的铅杂质含量对无铅焊点的寿命是有害的。     

微带板高钎透率大面积钎焊技术研究

研究了不同焊接工艺方法、焊膏量以及焊接材料(Sn37Pb、Sn3.5Ag)对微带板与垫板之间大面积钎焊质量的影响。X光检测结果表明,采用优化后的焊接工艺方法及焊膏量,微带板与垫板之间大面积钎焊钎透率可达95%以上;焊点微观组织分析结果表明,Sn3.5Ag焊点内部存在较大尺寸的脆性金属间化合物相,对焊点的力学性能有不利影响,建议使用Sn37Pb焊料进行微带板的焊接。     

双面贴装电路板上BGA焊点的潜在失效机理

采用双面贴装回流焊工艺在FR4基板表面贴装Sn3.0Ag0.5Cu(SnAgCn)无铅焊点BGA器件,通过对热应力加速实验中失效的SnAgCu无铅BGA焊点的显微结构分析和力学性能检测,研究双面贴装BGA器件的电路板出现互连焊点单面失效问题的原因,单面互连焊点失效主要是由于回流焊热处理工艺引起的.多次热处理过程中,NiSnP层中形成的大量空洞是导致焊点沿(Cu,Ni)6Sn5金属间化合物层和Ni(P)镀层产生断裂失效的主要因素.改变回流焊工艺是抑制双面贴装BGA器件的印制电路板出现互连焊点单面失效问题的关键.     

高密度LED焊点微空洞的X射线检测和分析

利用高精度X射线检测设备分别对用Sn37Pb焊膏和Sn3.0Ag0.5Cu焊膏组装的高密度LED灯板进行焊后和老化后的微空洞检测,观察了焊点的微空洞缺陷,并计算微空洞尺寸。结果表明:老化前微空洞面积与焊点面积比在10%~25%的,Sn3.0Ag0.5Cu焊点中约含25.5%,略大于Sn37Pb焊点的23.5%,且明显小于Sn3.0Ag0.5Cu焊点老化后的31.4%。两种焊点老化前后微空洞所占面积比都在<25%的合格范围内,但Sn3.0Ag0.5Cu焊点更易形成微空洞。     

Sn-Ag-Cu和Sn-Pb焊球及锡膏混合焊点的组织结构

在从含铅制程到无铅制程的转换过程中会遇到四种不同的焊点冶金组合：无铅焊料和无铅元件；无铅焊料和含铅元件；锡铅焊料和无铅元件;锡铅焊料和含铅元件。为了更好的优化工艺参数并获得高可靠性的焊点，我们必须研究上述不同冶金组合焊点的冶金过程和组织特性。本研究工作中，Sn-3．8Ag-0．7Cu、Sn-37Pb两种BGA焊球和Sn-3．8Ag-0．7Cu、Sn-37Pb两种锡膏分别组合焊接在表面无电解镀镍／浸金(Ni／Au)的试验板上，得到四种不同冶金组合的焊点。部分制成的试验板叉分别经过150℃310小时、480小时、2160d小时的老化。对上述焊点分别进行剪切力测试并使用X-射线透视．仪、光学显微镜、扫描电子显微镜、散射X-射线光谱仪等试验设备对焊点进行检测。对部分未经过老化的焊点用差示扫描量热法进行了分析。我们着重对四种不同冶金组合的焊点的微观结构及组织构成、金属间化合物构成、表面粗糙度以及焊点空洞问题进行了研究，并对四种不同冶金组合的焊点的相似处和不同处进行了讨论。研究揭示了焊点微观组织结构对焊点剪切强度和断裂模式的影响。     

无铅焊接的到来与因应（中）

(接上期)以下即为共同认为最具可行性之“锡银铜”配方。美国NEMI所认定熔焊的95.5Sn／3.9Ag／0．6Cu与波焊的99．3Sn／0.7Cu欧盟BRITE-EURAM推荐波焊与熔焊兼用的95.5Sn／3．8Ag／0．7Cu日本JIEDA建议兼用的96．5Sn／3．0Ag／0．5Cu。     

QFP焊点塑性应变的数值模拟

元素铅既对人体存在神经毒性也对环境产生重金属污染,因此,无铅焊料的研究倍受封装业的重视。文章采用温度循环下有限元数值模拟方法,针对4种焊料5种配比包括SnPb（60／40,10／90）、SnPbAg（5／92．5／2．5）、SnAg（96．5／3．5）和SnAgCu（95．5／3．8／0．7）,定量评估QFP焊点的塑性应变。给出焊料各参数对于焊点塑性应变的影响程度,第一主元分析显式为△Ps≈-2．56△（Q／R）,相应的Y向塑性应变均值降低为优化前的11％。所得的结果可为QFP封装时的焊料选择提供新的设计参考。     

BGA组装技术与工艺

从BGA的封装形式、PCB的设计、焊膏印刷、贴片、回流焊接工艺等方面分析了BGA组装过程中应注意的问题及其预防措施。以常用的PBGA和CBGA为例,分析了两种不同封装形式BGA的结构特点和组装过程中应注意的问题,以焊膏Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2和Sn96.5Ag3.0Cu0.5为例,分析了传统的SnPb组装工艺和无铅组装工艺的特点,以提高BGA组装的质量。     

Au-Ni-Sn三元合金在铅基和无铅基焊点界面的生长抑制

以前研究：BGA、Pb-Sn焊料／Au／Ni组成的焊点，经过几个小时150℃的退火处理后呈现出连续层状的三元合金(Au，Ni)Sn4，它紧邻Ni3Sn4层。Ni3Sn4层发生在焊料与Ni的界面上。在界面形成的双层结构金属间化合，导致焊点性能变差。这是我们不希望的。这个发现促进了后来的研究，并由这些研究得知在界面三元合金生长，强烈依赖焊点的金属组成和再流焊条件。在本次研究中，我们集中注意再流焊条件(温度和液相线以上的时间)和焊料组成，对在不同焊点上，三元化合物(Au，Ni)Sn4生长，形态和位置的影响。我们研究的焊点是由0．1Au-99．9Sn或者26Pb-73．9Sn-0．1Au(原子百分含量，除非特殊注明)的焊料在Ni基板上经过再流焊形成。以及研究94．35Sn-3．8Ag-1．85Cu在金／镍金属面上再流焊形成的焊点。26Pb-73．9Sn-0．1Au焊料合金在Ni基板、在185℃液相线以上30秒，进行再流焊。随后150℃退火处理。在基板界面上产生二层金属间化合物：Ni3Sn4和(Au，Ni)Sn4.但是这些焊料合金在235℃，液相线以上经过30秒的再流焊，只有一个层Ni3Sn4生长在26Pb-73．9Sn-0．1Au与Ni的界面上。而(Au，Ni)Sn4三元物在焊料体中形成，与此相似，(Au，Ni)Sn4沉积物：出现在244℃峰值温度，液相线以上74秒再流焊形成的SnAgCu／Au／Ni焊点体中。这个三元中铜的百分含量小于1％，经过261个小时的150℃温度退火处理后这个三元化合物仍留在焊点中。对于Au0．1Sn99．9／Ni系统，经过260℃，液相线以上46秒的再流焊和150℃，49小时的退火处理只有一层Ni3Sn4在焊料与基板界面生长。     

倒装焊结构的大规模集成电路焊点失效机理研究

在倒装焊结构的球栅阵列（BGA）封装大规模集成电路（LSIC）的服役过程中,由于BGA焊球、基板材料和PCB材料的热膨胀系数不同,焊点失效成为倒装焊结构LSIC的主要失效模式。焊点失效与焊料性质、焊接时间和温度、制造中的缺陷等密切相关。结合焊点失效的常见形貌及实例,研究倒装焊结构的LSIC的焊点失效模式及失效机理。针对可能引发失效的因素,提出从工艺到应用的一系列预防措施,对提升该类型电路的可靠性具有指导意义。     

弯曲应力状况下微型BGA封装可靠性比较研究

微型球栅阵列（μBGA）是芯片规模封装（CSP）的一种形式,已发展成为最先进的表面贴装器件之一。在最新的IxBGA类型中使用低共晶锡．铅焊料球,而不是电镀镍金凸点。采用传统的表面贴装技术进行焊接,研讨μBGA的PCB装配及可靠性。弯曲循环试验（1000～1000με）,用不同的热因数（Qη）回流,研究μBGA、PBGA和CBGA封装的焊点疲劳失效问题。确定液相线上时间,测定温度,μBGA封装的疲劳寿命首先增大,接着随加热因数的增加而下降。当Q。接近500S·℃时,出现寿命最大值。最佳Qη范围在300-750s·℃之间,此范围如果装配是在氮气氛中回流,μBGA封装的寿命大于4500个循环。采用扫描电子显微镜（SEM）,来检查μBGA和PBGA封装在所有加热N数状况下焊点的失效。每个断裂接近并平行于PCB焊盘,在μBGA封装中裂纹总是出现在焊接点与PCB焊盘连接的尖角点,接着在Ni3Sn4金属间化合物（IMC）层和焊料之间延伸。CBGA封装可靠性试验中,失效为剥离现象,发生于陶瓷基体和金属化焊盘之间的界面处。