（材料物理与化学专业论文）球栅阵列bga封装焊球的力学可靠性分析及预测.pdf

摘要 摘要 随着微电子封装技术的不断发展，封装器件中的焊点节距也越来越小，对可 靠性也提出了更高的要求，提高焊点的可靠性已成为发展新型b g a c s p p o p 封装的关键问题之一。本文按照j e d e c 标准对b g a - - p c b 板级跌落试验的要 求，在不同加速度荷载水平下测试了有铅和无铅球栅阵列封装中焊点的疲劳寿 命。利用电学测试、光学显微镜和扫描电子显微镜等手段定位了失效的焊点并分 析了它们的失效模式。用荧光染色法对由外界力学冲击导致焊点内部裂纹的萌生 和扩展行为进行了观察，并进一步评估了裂纹萌生和扩展的速率、规律和及其分 布情况。采用了a n s y s 有限元分析方法模拟了b g a p c b 组装件在跌落试验 条件下的力学行为，得到了焊点中的应力、应变和界面的应变能密度平均值等力 学量。最后，利用试验和模拟的结果重新计算了d a n ，e a u x 模型中的参数，得到 比较接近实际寿命的数值模型，这将对新型封装的可靠性设计具有重要的意义。 关键词疲劳，无铅焊料，跌落试验，有限元分析，裂纹扩展，寿命预测 中图分类号t n 4 0 6 圣呈查兰三兰堡圭兰堡丝兰 a b s t r a c t b e c a u s et h ei n t e g r a t e dd e n s i t yo fi cd e v i c e sb e c o m i n gh i g h e ra n dt h es i z eo fs o l d e r b a l ls h r i n k i n g ，t h er e q u i r e m e n to fh i 曲r e l i a b i l i t ys e e m st ob ea l lu r g e n tc o n c e r n 1 1 1 e e n h a n c e m e n to fr e l i a b i l i t yo fs o l d e rb a l li sv e r yi m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p m e n to fb a l l g r i da r r a yp a c k a g ea n di m p r o v e m e n tt h er e l i a b i l i t yo f p a c k a g e l e a d e da n dl e a d - f r e e b a l lg r i da r r a y ( b g a ) c o m p o n e n t sw e r et e s t e di nb o a r dl e v e ld r o pt e s tw h i c h a c c o r d i n gt ot h ej o i n te l e c t r o nd e v i c ee n g i n e e r i n gc o u n c i l ( j e d e c ) s t a n d a r du n d e r d i f f e r e n tl o a dl e v e l s 1 1 1 ef a t i g u el i f eo f l e a d - f r e eo rl e a d e ds o l d e rb a l l sw e r em e a s u r e d a n dt h ef a t i g u em e c h a n i s m 哪e v a l u a t e du s i n g0 m ，s e m ，e d xa n a l y s i st o o l s f u r t h e r m o r e ，t h ee x p a n d i n gb e h a v i o ro fc r a c k si n s i d es o l d e rb a l lw e r eo b s e r v e db y f l u o r e s c e n c ed y i n gm e t h o d 1 1 p r i n c i p l eo fc r a c ki n i t i a t i n ga n dp r o p a g a t i n gw a s r e s e a r c h e d t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) m o d e l sw e r ee s t a b l i s h e du s i n g a n s y s t h es t r e s sa n ds t r a i ni nt h es o l d e r j o i n ta n dt h ea v e r a g es t r a i ne n e r g yd e n s i t y i nt h es o l d e r - p a di n t e r f a c ea c c u m u l a t e di no n ec y c l ew e r ec a l c u l a t e du s i n ga n s y s 1 1 他r e s u l t so fe x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nw e r ee m p l o y e dt or e - c a l c u l a t et h ec o n s t a n t s c o n t a i n e di nt h ed a r v e a u xm o d e lt oe x t e n di t sa p p l i c a t i o nt ot h ed r o pt e s t t h e n ，f e a m o d e l sw i t hd i f f e r e n th e i g h ta n dp i t c ho fs o l d e rj o i n t sw e r ee s t a b l i s h e dt oo b t a i nt h e s e dt oc a l c u l a t et h ef a t i g u el i f eo fs o l d e rj o i n tu n d e rd i f f e r e n tg e o m e t r i c a lc o n d i t i o n s t h r o u g ht h i sm o d i f i e dm o d e l k e yw o r d sf a t i g u e ，l e a d - f r e es o l d e r , d r o pt e s t ，f e a ，l i f ep r e d i c t i o n c h i n e s ec l a s s i f i c a t i o nt n 4 0 6 3 - 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中作了明确的声明 并表示j ，谢意。 作者签名 论文使用授权声明 糯呼：o s 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：叠照导师签名 避期：弘寸 j + 警 复旦大学工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 美国乔治亚理工大学的r a or t u a m a l a 编写的微电子封装手册中对封装 的定义为：集成电路封装是指将具有特定功能的器件芯片，放置再一个与其相容 的外部容器中，给芯片提供一个稳定可靠的工作环境。封装是芯片功率输入、输 出同外界的连接途径，以及芯片的输入、输出端同外界的连接途径，同时也是器 件工作时产生的热量向外扩散的媒介。芯片封装后形成了一个完整的整体，保护 器件不受或少受外界环境的影响。并通过一些性能测试、筛选和各种环境、条件 和机械的实验，来确保器件的可靠性，使之具有稳定的、正常的功能。 随着半导体产业的迅速发展，芯片的集成度越来越高，面积和功耗越来越大， 速度也越来越快，特别是近年来随着芯片技术的快速发展，芯片越来越复杂，引 脚数也成倍的增加。半导体芯片制造技术正向超微细化方向进展，特征尺寸从亚 微米、0 1 3 1 x m 、9 0 n m 直到进入6 5 n m 领域，这就对芯片的封装提出了更高的要 求。 为了满足集成电路的高集成度，高速度，高可靠性的要求，微电子封装也先 后发展出了d i p ，p g a ，q f p ，b g a ，c s p 等多种形式，并且为了实现多种封装 形式，也开发出了热压焊、超声压焊、常温压焊，各向异性导电胶、浆料和倒装 芯片多种互连技术。同时为了顺应环保要求，新一代绿色封装材料即无铅焊料也 经过开发，开始进入实用化阶段，并成为微电子封装业发展的未来趋势。 b g a 封装作为目前微电子封装的主流技术，一直是研究领域和业界的热点。 而且，对b g a 焊球可靠性问题的研究己成为微电子封装工程研究的核心问题之 1 2 微电子封装技术概况 1 2 1 微电子封装技术的功能与分类 一般来说，微电子封装具有机械支撑、电气连接、物理保护、外场屏蔽、应 力缓和、散热防潮、尺寸过渡、规格化和标准化等多种功能。微电子封装属于复 杂的系统工程。从工艺上讲，微电子封装包括薄厚膜技术、基板技术、微细连接 技术、封接及封装技术等四大基础技术；从材料上讲，微电子封装要涉及到各种 类型的材料，如焊剂焊料、焊丝框架、金属玻璃超细粉、陶瓷粉料、表面活性 剂、有机粘结剂、热硬化树脂、聚合物填充材料等；从设计、评价、检测技术讲， 涉及到薄膜特性、电气特性、结构特性及可靠性等方面的分析、评价与检测。所 以，微电子封装技术是一种构成电子回路的半导体元件、电子器件组合成电子设 第一罩绪论 备的综合技术。 从硅圆片制作出各类芯片开始，到大规模电子设备的组装，一般按实现功能 的不同将微电子封装划分为l s i 芯片、封装、模块和系统装置四个阶段( 如图 1 1 ) ： - 零级封装芯片表面的再布线、形成焊料凸点或金凸点和凸点下金属化层 ( u n d e rb u m pm e t a l l i z a t i o n ，u b m ) ： - 一级封装实现芯片基板的微互连，将裸芯片封装成单芯片或多芯片组 件； - 二级封装将一级封装和其他元器件一同实装到p w b ( p r i n t e dw i r i n g b o a r d ，印刷电路板) 或其他基板上； - 三级封装将二级封装组装到母板( m o t h e rb o a r d ) 上。 图1 1 微电子封装的各个阶段( 级) 1 2 2 微电子封装技术的演变与发展趋势 自1 9 4 7 年第一只半导体晶体管的诞生开始了微电子封装的历史，微电子封 装技术已先后经历了三个阶段。 第一阶段：9 0 年代以前，开始主要以陶瓷封装为主。6 0 年代发明的双列直插封 装( d i p ) 成为7 0 年代产品器件的主要封装形式，管脚有4 6 4 只。人们很快有 开发出塑料双列直插封装外壳。都采用了插孔安装( p t h ) 的形式方式。其不足 之处在于封装密度、功率难以提高，不能满足器件小型化，高速度的要求。 第二一阶段：从8 0 年代中期开始，出现了表面贴装技术( s m t ) 。它不同与传统 的p h t 插装形式，采用精微的引线将集成电路贴装到p c b 板板上，从而大大的 改善了i c 的电学性能和生产的自动化水平。表面贴装封装的主要特点是用引脚 复且大学工学硕 学位论空 代替针脚，。引脚从封装体的两边或四边引出。也出现了一系列的新的微电子封 装形式，其中包括小外廓封装( s o p ) 、塑料有引脚芯片载体伊l c c ) 、塑料四方扁 平封装( p q f p ) 、j 型引线的四方扁平封装( q f j ) 和小外廓封装( s o j ) 、无引线陶瓷 芯片载体( l c c c ) 等。其中四方扁平封装以其封装密度高，引线间距小，成本低 等有点成为8 0 年代的主流产品。虽然表面贴装技术具有众多有点，但随着微处 理器和专用集成电路的快速发展，该技术在有效封装密度，引脚数和器件运行频 率方面还是不能满足要求。 第三阶段：9 0 年代至今。微电子封装技术经历了有一次重大的变革。随着封装 尺寸的进一步小型化、微型化出现了许多新的封装技术和封装形式。其中最具 代表性的是球栅阵列( b g a ) ，倒扣芯片( f c ) 和多芯片组件( m c m ) 技术等。 近年来，b o a 已取代部分q f p ，向着c s p ，m c m 等更先进的封装形式发展， 将实现更高的封装密度、更多的引脚数和更高性能的小型化封装。 在所有的芯片封装模式中，芯片往往采用倒装焊贴装于基板( f c o b ) 以提 供最大的封装密度，这也是未来封装发展的主流。 1 2 3 微电子封装的无铅化趋势 因此由于铅具有良好的柔软性、延展性、低熔点和耐腐蚀性，长期以来一直 被广泛应用于电子封装业的微互连工艺。研究表明，p b 在铅锡焊料中发挥着重 要的作用：减小焊料表面张力，提高浸润性；阻止b s n 向洳s n 的相变( 发生在 1 3 以下，并会引起2 6 的体积膨胀) ；促进焊料与被焊件之间快速形成键合。 然而，铅本身是有毒金属，大量的使用不仅会造成严重的环境污染，同时也极大 地危害到人体健康。随着人类环保意识的不断增强，人们在追求电子产品高性能 的同时，更注重它的无毒、绿色、环保等特点，限制或禁止使用铅的呼声日渐高 涨，许多国家己先后制定了对铅的限制法规，电子封装业的“无铅化”己成为今 后发展的必然趋势，因此寻找、开发绿色无铅封装材料以及实施无铅工艺制程已 成为当今电子工业所面临的重要课题之一。 焊料的无铅化是无铅封装的关键，开发新型无铅焊料，要求其在熔点、强度、 耐热疲劳及蠕变特性等性能方面与传统的s n p b 共晶焊料具有可比性，目前对无 铅焊料的研究主要集中于几类以s n 为基体金属的合金体系：s n a g c u 系、s n z n 系、s n b i 系。总体上无铅焊料应满足：熔点适中、浸润性优良、力学性能合格、 抗疲劳性能优良、电阻率低等性能要求，才能大规模使用，而目前开发出的无铅 焊料往往顾此失彼，要全部满足这五个基本要求还有一定难度，这是无铅合金焊 料研究的难点。 随着微电子封装的集成度越开越高，器件中的焊点也越来越小，而其承受的 第一章绪论 力学，电学，热力学载荷则越来越大，从而对可靠性的要求日益提高。传统的 s n p b 焊料剪切强度、抗蠕变和抗低周疲劳能力较弱( 见论文) ，导致焊点过早失 效，需要研发高性能无铅焊料来代替传统的p b s n 焊料，以提高焊点的可靠性。 所以，无铅焊料的开发和运用，不仅是环保的要求，还起到提高电子产品质量的 重要任务。 1 3 微电子封装的可靠性问题 1 3 1 微电子封装可靠性问题及可靠性试验概述 所谓可靠性，就是指一个产品在规定的时间内和规定的条件下完成所需要的 功能而用概率来表示的一种产品特性。可靠性是产品质量的一个重要指标。集成 电路器件在贮存、运输和使用过程中，所遇到的各种环境条件是非常复杂的，越 来越多的电子封装被应用于严苛的环境中。例如会遇到比重力高很多倍的振动、 冲击等机械作用，也可能遇到潮湿、机械冲击各种射线辐照等恶劣的环境，并且 也可能要求电路能够在低温、高温条件下进行正常工作。因此必须针对不同的用 途，对集成电路器件进行不同项目，不同强度的可靠性试验和可靠性分析 电子封装及其组件在工艺或使用过程中，最常见的情况是由于材料的热膨胀 失配而在封装结构内产生热应力和应变，从而导致电子封装的电、热和机械失效。 并而且由于器件封装使用的环境较为复杂，在使用过程中，不可避免地会受到外 界热冲击和各种形式的外加机械负载，造成焊点的力学断裂或疲劳失效。因此， 微电子封装的可靠性问题，成为当今美国、新加坡等研究所和企业重点投入研究 的方向。微电子封装在受到应力作用下会时产生脆性断裂或疲劳断裂两种主要的 失效模式。在使用过程中，疲劳失效对器件的寿命产生主要影响。 可靠性试验是评价器件可靠性水平的重要手段，主要用于评价设计质量、材 料和工艺质量。通过可靠性试验，可确定器件的可靠性特性值，了解其在不同工 作条件下的失效规律，找出失效模式及机理，以便采取有效措施，提高器件的可 靠性。试验中对待测样品施加一定的应力载荷包括电应力，热应力，机械应力 或综合应力，通过检测样品的各种性能参数是否仍附和技术指标，进而判断样品 是否失效。常用的机械试验包括机械振动试验，机械弯曲试验，恒定加速度跌落 试验，剪切强度试验等；常用的环境包括温度循环试验，热冲击试验，高温时效 试验等。另外还有可靠性筛选试验，通过各种方法将有质量问题而可能发生早期 时效的产品予以剔除和淘汰。 在可靠性试验完成后对失效样品进行失效分析的仪器主要有光学显微镜， 超声显微镜，x 射线显微镜，扫描电子显微镜，透射电子显微镜，聚焦离子柬， 电子探针俄歇电子能谱仪，x 射线散射能谱仪等。 复旦大学工学硕士学位论文 1 3 2 微电子封装可靠性研究的现状 目前，微电子封装的形式向着小型化，高集成度，高引脚数的方向发展，而 新型封装技术如倒扣芯片( f c ) ，片尺寸封装( c s p ) ，球栅阵列( b g a ) 以及多 芯片组件( m c m ) 等封装技术，均通过焊点互连作为实现异质材料间电气与机 械连接的主要途径，因此，焊点的质量与封装的可靠性紧密相关，这也在很大程 度上决定了电子产品的质量。所以目前对微电子封装进行的可靠性研究，大都是 对焊点可靠性的研列”。 焊点内部的热应力和外界的机械冲击都会导致裂纹的萌生和扩展，并且应力 强度越大，应变越大，裂纹萌生和扩展的可能性越大。目前，电子技术的发展使 得电子封装必须适用于各种恶劣环境，封装器件的功率越大，集成度越高，受到 更大的热和机械冲击，于是焊点的可靠性问题越来越重要。特别是在要求高可靠 性应用的场合，如航天技术和军事应用方面。因此，从焊点内部的应力应变分布 来研究焊点的失效行为特别是焊点内裂纹起裂和扩展的前提。 已经有很多研究使用粘塑性材料模型给出了较为精确的失效寿命预测。伴随 着器件的尺寸不断缩小和性能不断提高，各种各样的手持电子产品越来越多的为 人们所使用和喜爱。这些产品包括数码相机、计算器、移动电话、掌上电脑以及 各种智能卡。由于这些电子产品的尺寸和重量，导致这些产品在使用的过程中很 容易发生跌落。因此这些电子产品除一般的可靠性问题外，还存在跌落可靠性问 题。这些产品在跌落冲击下，其外壳首先会产生机械失效。然后由于冲击的能量 传送到其内部的p c b 板，因此还会同时使p c b 板组装发生电学失效。可能的失 效模式包括芯片碎裂、p c b 板互连失效、封装和p c b 板间的焊接失效等。造成 这些失效的主要原因是由于在跌落冲击过程中产生的极大的加速度传递到了 p c b 板，导致了p c b 板的过度弯曲。而p c b 板的弯曲又导致了p c b 板与贴装 在其上面的封装之间的相对运动，这就导致了封装、互连或者p c b 板的失效。 这类失效和p c b 板的设计、结构、材料和表面处理情况，互连材料，封装结构， 跌落高度和方向都有很大的关系。研究微电子封装在高加速度冲击下的可靠性能 够更好地指导手持电子设备封装的设计，提高设备的抗冲击能力。此外，随着人 们对铅的危害性的认识的深入和无铅化进程的进入，对无铅焊点的可靠性的研究 也显得越发重要。 目前国外对芯片机械系统应力与热应力失效的分析和预测主要运用有限元 分析方法结合弹性力学，粘塑性力学，断裂力学的理论和方法。新加坡的t y t e e 等人在三维有限元分析的基础上，考虑蠕变、弹性、塑性应变，应用c o f f i n m a n s o n 疲劳寿命定律预测各种封装焊点的疲劳强度i l l ：k i n u k om i s h i r o 等人对b g a c s p 第一章绪论 跌落试验的可靠性进行了预测，并采取仿真结合与试验的方法，对焊球跌落过程 中受到的弹性和塑性形变作分析1 3 】。z h a n g 等人采用统一性粘塑性a n a n d 本构方 程描述了p b s n a g 焊料热循环过程中的可靠性，模拟了应力应变过程。基于裂纹 扩展的实验数据，提出了一种描述热循环裂纹扩展速率的经验方程【4 】。而z h u 等 人对芯片叠层球栅阵列封装焊球在热循环下的可靠性进行了数值模拟，并运用 a n s y s 有限元分析软件，以塑性应变能作为研究对象，讨论了焊球的可靠性分 析方法，对焊球的疲劳寿命进行了预测1 5 】。、，b c t a n 等人采用子模型比较了三 种常用的建模方法：用三维实体单元模拟整个p c b 组装、用壳单元模拟p c b 和封装、用梁单元模拟焊点。指出三者得出的变形结果相近，但焊点应力结果相 差很大【6 】。y l l i u 等人通过试验的方法研究了三种不同的下填料材料对有铅和无 铅焊点的跌落可靠性的影响【7 】。 焊点的应力应变可以通过试验研究和理论计算两种途径来实现： 1 ) 试验研究需要高精度的测试设备和特定制作的待测样品。目前主要采用应变 计，应变片等对焊点在应力循环过程中的应力应变进行测量，但现有的测量技术 还只能提供平均的或表面测量结果，而且封装焊点体积细小，应力应变复杂，测 定起来有一定难度，花费的人力和时间也很多。 2 ) 模拟计算是在芯片封装的可靠性分析中最常用的一种方法。其中有限元分析 是评价焊点可靠性和进行理论研究的有效方法。通过有限元模拟我们可以得到新 产品或新设计的可靠度信息，而不需要实际做出样品再进行可靠性试验，从而节 省大量的成本和时间。 1 4 球栅阵列封装( b g a ) 及其可靠性 1 4 1 球栅阵列封装( b g a ) 的特点与分类 1 4 1 1 球栅阵列封装( b g a ) 的特点 球栅阵列封装( b a l lg r i da r r a y ) 是目前电子封装领域广泛应用的一种新型表 面贴装封装形式，它是在基板的背面按阵列方式制出焊料球作为外引脚来实现芯 片与p c b 板的连接，芯片和基板间采用引线键合或倒装焊的连接方式。由于b o a 封装具有引线间距大、长度短，消除了精细间距器件由于引线引起的共面度和翘 曲问题，从而实现了封装的高i o 数、高性能、多功能及高密度化。 由于b g a 的端子采用平面阵列布置，与其他实装技术相比，具有明显的优越 性： 一可实现小型、多端子化( 4 0 0 ) 封装，提高了封装密度。 -焊球的回流焊过程中，由于熔融焊料的表面张力作用，具有自对准效应， 因此可实现多端子一次回流焊的表面实装，且安装、焊接的失效率低。 复旦大学工学硕士学位论文 b g a 焊球引脚很短，使信号路径减短，从而降低了引脚间电感和电容，改 善了电性能。 - b g a 焊点的节距一般为1 2 7 r a m 和0 8 m m ，且实装操作简单，可使用现有 的s m t 工艺设备。 - b g a 封装的可靠性高，可返修性高，且成本低。 然而，b g a 也存在一些缺陷，如组装后焊点不外露，组装质量检测困难。不 能进行焊点的局部返修，个别焊点不良也必须整体从基板上脱离下来重新焊接 等。 1 4 1 2 球栅阵列封装( b g a ) 的分类 按封装基板材料来分，b g a 主要有四种基本类型：p b g a 、c b g a 、c c g a 和t b g a 。同时，为了满足多引脚、高散热能力、高频、低损耗、小型、薄形等 特殊要求，每种b g a 有派生出许多新的形式。 1 ) p b g a ( p l a s t i cb g a ) 塑封b g a p b g a 是最普通的b g a 封装类型( 如图1 2 ) ，其载体( c a r r i e r ) 或封装基板 ( s u b s t r a t e ) 是普通的印刷板基材，如f r - 4 、b t 树脂等，芯片通过金属丝压焊 方式连接到基板的上表面，然后用塑料模注成形，在基板的下表面连接着焊球阵 并 噜馥球 图1 2p b g a 的典型结构 列( 如共晶p b s n 焊球) 。 p b g a 封装可利用现有的封装技术和原材料，生产费用相对较低，且器件电 气性能良好，不易受到机械损伤，可适用于大批量的电子封装。此外，p b g a 基 板和实装中p c b 的热膨胀系数( c t e ) 近乎相同，在回流焊过程中及完成后， 几乎不产生热应力，对焊点的可靠性影响也较小。 目前，p b g a 技术的主要挑战在于减少对湿气的敏感性和防止“p o p c o m ”( 爆 米花) 现象的产生，以及解决因日趋增大的芯片尺寸引起的可靠性问题。随着多 引脚半导体芯片性能、元件功耗及工作频率的迅速提高，对b g a 封装提出了更 高要求。在普通p b g a 的基础上，又出现了几种新型p b g a 封装形式：增强型 b g a ，多芯片叠层式b g a 封装，倒装芯片b g a ，窄节距b g a 封装等。 第一章绪论 2 1c b g a ( c e r a m i cb g a ) 陶瓷b g a c b ( 3 a 的芯片连接在多层陶瓷载体的上表面，通过金属丝压焊或f c 方式实 现芯片载体的连接。芯片连接固定后，采用环氧树脂等塑封材料进行封装，以 提高可靠性并提供机械防护。陶瓷载体下表面连接高熔点焊球阵列( 如9 0 p b 1 0 s n 焊球) ，直径通常为o 8 9 m m 左右，常见节距有1 0 m m 、1 2 7 r a m 。 c b g a 器件也可用现有的设备和工艺进行实装，但其焊球与p b g a 的焊球组 分不同，熔化温度较高，使得整个实装过程与p b g a 有所不同( 如图1 3 ) 。 c b g a 具有良好的气密 性、电气性能和热特性；由 于c b g a 的芯片与陶瓷载体 的连接可采用f c 方式，具有 更高的互连密度且不易受 机械损伤，共面性好，焊点 形成容易，适用于i o 数大 于2 5 0 的电子封装。 图1 3c b g a 和c c g a 的结构比较 c b g a 的应用并不广泛，主 要是由于c b ( 3 a 实装中存在p c b 和多层陶瓷载体间c t e 不匹配的问题，从而在 热循环过程中易产生较大内应力，造成c b ( 3 a 焊点失效。 3 1t b ( 3 a ( t a p eb g a ) 带载b ( 3 a t b ( 3 a 是b g a 的一种相对较新的封装类型，芯片载体是聚酰亚胺带，并覆 以单层铜箔( 图1 4 ) 或上、下双层铜箔( 图1 5 ) 。带状载体上的过孔起着连同 两个表面、实现信号传输的作用，其顶面连接的加固层用于给封装体提供刚性并 保证封装体的共面性，而芯片背面连接的散热板可提高散热性。t b g a 采用t a b 技术来实现芯片一载体的互连，典型的焊球阵列节距有1 0 m m 、1 2 7 r a m 、1 5 m m 几种，焊球直径约0 6 5 m m 。 图1 4t b g a 的典型结构及特征 严m 髫譬椰黔 复旦大学1 = 学硕1 。学位论文 由f 一油拨睦瞪括f l 柏亨 e 嘛 葛f 雀理用执盯t 旺謇卡啦楚 铸蜘丘伢r 矗曩饵母r 哪q 蕾 广_ 佰叶斌 卜- 蝴f - l 擅垲耀 图1 5 双金属层载带t b g a 的典型结构 t b g a 的载体为薄带，且采用倒装片形式进行芯片载体的连接，封装易于薄 型化、轻量化；t a b 的内引线键合技术可实现焊盘节距的微细化( 4 0 - - 6 0 p r o ) ， 且带载可进行微细布线，适合于多端子化( l 0 0 0 ) ；芯片载体、加固层与p c b 间的c t e 基本匹配，对焊点可靠性影响不大。然而，t b g a 对湿气、热敏感， 对工作条件要求高，且成本比p b g a 较高，目前主要用于高性能、高i o 数的电 子产品的封装。 b g a 封装己成为当今电子封装业的主流技术，并广泛应用于存储卡、p c 卡、 便携式电子产品、移动电话等诸多领域。然而，在制约电子封装技术发展的“芯 片小、封装大”这一矛盾的驱动下，为实现更高密度的封装，人们在b o a 的基 础上又不断研究开发出许多c s p 超小型封装。 1 4 2 球栅阵列封装( b g a ) 焊点的可靠。性问题 b g a 焊点的失效机制取决于各种因素，大多失效是由于焊点内部裂纹产生和扩 展。而裂纹的萌生位置，特性则是有焊点的组分，金属间化合物结构，应力水平 以及回流温度区间决定。一般而言，焊点失效具有如下规律1 9 1 ： 一裂纹通常萌生于高应力区域，而裂纹的扩展方向则由焊点形状，拉应力与剪 应力之比决定； 一焊点内部的大应力会导致焊点p c b 板界面容易发生断裂，而焊料在大应变 速率和蠕变下会受到大应力。 一焊接界面断裂与金属间化合物i m c 的强度较差，呈脆性结构有关，往往导 致焊点在外界应力作用下提前出现失效，降低器件的使用寿命。 为了确保b o a 封装的可靠性，新器件在投产前需要进行大量的可靠性测试。 理论上，测试应该尽量接近封装实际使用的环境。但是大多数情况下电子产品的 设计使用寿命足够长，所以在实验室中往往进行加速失效试验来收集可靠性数据 和检测产品的质量。在加速试验中，器件要比正常使用情况下经历更高的应力应 嘶孑 湃忙 潞焉一 变，通过加速失效机理，可以比实际条件下更快地观察到失效地模式，在较短时 间内收集到可靠性数据。 1 4 无铅b g a 焊点的力学可靠性试验 无铅b g a 封装的力学试验( 跌落剪切弯曲试验) 主要研究机械应力作用下 b g a 焊点的疲劳特性，讨论不同焊料( 无铅有铅) 及相应工艺条件对b g a 焊 点可靠性的影响，并通过失效分析深入研究焊点的失效模式和失效机理找出影 响焊点可靠性的主要因素，对提高b g a 封装的可靠性提出应对措施。并使用模 型进行寿命评估，目前比较常用的低周疲劳寿命预测模型有基于塑性应变的 c o f f i n m a n s o n 模型和基于应变能密度的d a r v e a u x 模型。 常用的电子器件可靠性试验有可靠性鉴定试验、寿命试验，筛选试验、耐久 性试验、可靠性增长试验等，本文将要讨论的b g a 封装的可靠性力学试验是一 种加速寿命试验。加速寿命试验是指采用加大应力的方法促使器件样品在短期内 失效，以预测该器件在正常工作条件或储存条件下的可靠性。根据施加在器件样 品上加速应力方式的不同，加速寿命试验可分为恒定应力加速( 施加的应力不变， 用于研究器件失效时间的分布) 、周期应力加速( 施加的应力呈周期重复性，用 于研究应力对器件失效的影响情况) 、序进应力加速( 施加的应力随时间连续增 加，用于研究影响器件寿命的应力分布情况) 和步进应力加速( 施加的应力按每 隔一定时间的步进方式增加，用于研究在哪一级步进应力下器件发生失效) 4 种。 通过加速寿命试验，可在较短时间内加速暴露器件失效模式和机理，对器件可靠 性设计、工艺改进和可靠性增长的效果进行评价。 1 5 本文的研究目的和主要研究内容 1 5 1 研究的目的 b g a 封装由于具有小间距尺寸及良好的电学及机械特性成为广泛使用的封 装形式。并且由于当今微电子封装行业普遍进入了无铅化时代，b g a 封装的可 靠性和工艺性能需要得到进一步的评估以适应电子产品对封装不断提升的要求。 而目前国际国内对无铅b g a 封装跌落的可靠性的研究项目还不完全，对焊点产 生失效的机理和失效规律也没有做出统一的结论。所以本文在研究b g a 封装可 靠性，以及其失效机理和规律方面对b g a 封装的设计有着重要的指导意义。 可靠性力学试验致力于研究外界机械应力对b g a 焊点疲劳寿命的影响，而 将恒定高加速度跌落试验与高温贮存热老化试验或加电流老化试验结合，进一步 复旦大学工学硕士学位论文 讨论金属间化合物( i m c ) 的形成、生长和电迁移现象对b g a 焊点可靠性的影 响，可找出引起焊点疲劳失效的主要因素。并采用了a n s y s 有限元分析方法模 拟了b g a - - p c b 组装件在跌落试验条件下的力学行为，最后利用试验和模拟的 结果重新计算了d a r v e a u x 模型中的参数，得到比较接近实际寿命的数值模型， 这将对新型封装的可靠性设计具有重要的意义。 1 5 2 研究的主要内容 ( 1 ) 在2 2 0 0 9 ，2 9 0 0 9 ，3 6 0 0 9 的跌落荷载水平下测试有铅和无铅b g a - - p c b 封装的真实疲劳寿命；测量p c b 中心在碰撞过程中的应变；通过电学测试、光 学显微镜和扫描电子显微镜定位失效的焊点，分析失效模式； ( 2 ) 采用荧光染色渗透法对水平跌落的无铅和有铅失效b g a 封装观察裂纹 在不同条件下的萌生和扩展行为。讨论无铅有铅b g a 焊点内裂纹扩展速率和焊 球裂纹分布情况： ( 3 ) 采用有限元软件a n s y s 模拟样品在这些试验条件下的力学行为，得到 焊点的应力、应变、应变能密度等力学量： ( 4 ) 改进基于能量的疲劳寿命模型d a r v e a u x 模型，对焊点的跌落疲劳寿命 进行预测；同焊点的真实疲劳寿命比较验证模型的正确性。 第二章b g a 封装的力学可靠性跌落试验 第二章b f i a 封装的力学可靠性跌落试验 2 1 力学可靠- 性跌落试验的意义 随着电子系统及设备向超微型化、高集成化、多功能化方向的迅速发展，对 电子器件可靠性的要求也在不断提高，可靠性试验是评价器件可靠性水平的重要 手段，主要用于评价设计质量、材料和工艺质量。通过可靠性试验，可确定器件 的可靠性特性值，了解其在不同工作条件下的失效规律，找出失效模式及机理， 以便采取有效措施，提高器件的可靠性。 常用的电子器件可靠性试验有可靠性鉴定试验、寿命试验、筛选试验、耐久 性试验、可靠性增长试验等，本文将要讨论的b g a 封装的可靠性力学试验是一 种加速寿命试验。加速寿命试验是指采用加大应力的方法促使器件样品在短期内 失效，以预测该器件在正常工作条件或储存条件下的可靠性。根据施加在器件样 品上加速应力方式的不同，加速寿命试验可分为恒定应力加速( 施加的应力不变， 用于研究器件失效时间的分布) 、周期应力加速( 施加的应力呈周期重复性，用 于研究应力对器件失效的影响情况) 、序进应力加速( 施加的应力随时间连续增 加，用于研究影响器件寿命的应力分布情况) 和步进应力加速( 施加的应力按每 隔一定时间的步迸方式增加，用于研究在哪一级步进应力下器件发生失效) 4 种 通过加速寿命试验，可在较短时间内加速暴露器件失效模式和机理，对器件可靠 性设计、工艺改进和可靠性增长的效果进行评价。 2 2 力学可靠性跌落试验的标准 力学可靠性跌落试验按照2 0 0 3 年7 月制定的j e d e c ( j o i n te l e c t r o nd e v i c e e n g i n e e r i n gc o u n c i l ) 标准j e s d 2 2 - b 1 1 l ( b o a r dl e v e ld r o pt e s tm e t h o do f c o m p o n e n t sf o rh a n d h e l de l e c t r o n i cp r o d u c t s ) ( 2 1 进行。制定该标准的目的是在加 速试验环境中评估和比较手持电子产品中表面贴装电子元件在跌落时的可靠性。 这里的可靠性是针对板级来说的，而不是元件级和系统级，并且仅针对跌落的情 况，而不包括电子元件和p c b 组装在运输和手持使用过程中受到的冲击。在跌落 冲击下，电路板的过量变形将导致产品的失效。标准中对试验样品、试验方法和 试验报告作了详细的规定。 2 3 力学可靠性跌落试验的方案 b g a 封装的力学试验【3 ，4 1 ( 跌落弯曲试验) 主要研究机械应力作用下b g a 复旦大学工学硕士学位论文 焊点的疲劳特性，讨论不同焊料( 无铅有铅) 及相应工艺条件对b o a 焊点可靠 性的影响，并通过失效分析深入研究焊点的失效模式和失效机理，找出影响焊点 可靠性的主要因素，对提高b g a 封装的可靠性提出应对措施。 整个可靠性试验分成四部分：试验样品的准备；可靠性力学试验( 跌落、剪 切试验) b g a 样品焊点的可靠性及其失效分析，及计算机辅助模拟。试样准备 部分包括b g a 和p c b 材料性能参数的确定，试样的结构设计和s m t 焊接冶金 学的工艺设计：力学试验及模拟部分包括对完成s m t 实装的b g a 样品进行跌 落剪切试验，模拟分析结果将反馈至试样准备部分，为进一步改进试样的可靠 性水平提供指导和进行仿真；可靠性及其失效分析部分将通过对失效区的微观结 构、材料分析，深入研究焊点及其相邻界面的失效模式和失效机理，并将分析结 果反馈至模拟过程，以获得更精确的仿真模型。 2 3 1 可靠性跌落试验的原理 整个跌落测试实验过程中是一个多次能量传递的过程( 如图2 1 ) 首先是跌 落台从一个特定的高度自由落体，其势能转化为动能。然后，跌落台撞击撞击平 面( 上的垫子) ，产生j e d c e 标准所要求 的加速度波形的冲击波。这个冲击波将会 被加速度传感器记录下来。最后，加速度 冲击波通过固定螺丝将能量传递到p c b 板，焊球和封装模块上。与此同时，惯性 力使p c b 板弯曲，导致在焊球处产生应 力。 由动力学可以知道：跌落台自由落体 至撞击前一刻的速度是： v = 4 2 9 h ( 2 1 ) 图2 1 跌落试验的示意图 此处，g 是重2 j n i 塞度( 9 8 1 r r d s 2 ) 。 p c b 板级跌落实验的示意图如图2 2 所示。球栅阵列b g a 封装样品通过螺 丝被固定到跌落台上样品和跌落台之间有5 1 c m 的间距。这个间距是为p c b 板在跌落过程的弯曲而预留。跌落台从一定的高度沿着导杆跌落，跌落至撞击平 台。在撞击平台上有垫子。垫子的作用是调节跌落时造成的加速度曲线。不同材 料的垫子可以形成不同形状的加速度曲线，更换不同的垫子就可以模拟手持电子 设备跌落至不同的情况下的地面。跌落测试等级由加速度或者撞击波形来决定。 不同的加速度峰值和持续时间将决定不同的跌落测试等级。 第二帝b g a 封装的力学可靠性跌落试验 在跌落测试中，p c b 板和焊球的动力学响应非常重要，因为这反应了跌落 测试中与焊球可靠性紧密相关的p c b 板的性能。通过加速度传感器，应变传感 器和微电阻测量仪就可以监测跌落过程中的动力学响应情况。 基 图2 2 跌落实验示意图 在p c b 板上，一共放置了两个相互垂直的应变传感器用来测量跌落撞击过 程以及后续的振动过程中p c b 板的应变响应。这些信号被传送到示波器记录和 处理。加速度传感器被置于螺丝的附近，用来测量跌落过程中的加速度变化情况 也就是p c b 板的加速度加载情况。加速度传感器的信号直接通过数字通道进入 p c 进行分析和处理。 、 2 3 1 加速度载荷曲线 * - 翻d ，l v - * 1 暇 图2 3j e d e c 标准跌落曲线 参照相关的j e d e c 试验标准，本跌落试验采用半正弦波作为冲击波形( 波 复母大学工学硕士学位论文 形振幅误差要求在士o 1 5 之间，见图2 3 ) ，该波形曲线满足下式： _ g o ) = g ，s i i l 鲁 其中，g 例表示t 时刻样品所受到的冲击加速度值，g m 为加速度峰值，r 为脉冲持续时间。 j e d e c 标准规定了跌落测试可靠性实验的加速度加载波形。因此有必要对 如何控制跌落波形进行一些研究。由于跌落波形是由跌落高度，跌落撞击面，以 及跌落撞击面上的垫子的属性决定。l u a n 和t e e 对此进行了详尽的研究【1 1 。我 们也对此进行了实验，以确定跌落实验最终所采用的跌落高度及衬垫。 2 4b g a 封装样品的制备 2 4 1b g a 封装样品的s m t 本试验中使用的f b g a ( 8 m i n x l 3 r a m ，厚1 2 r a m ) 具有6 1 5 球栅阵列，采 用w b 芯片互连方式，焊球节距o $ n m a ，直径0 4 5 r a m ，焊球高度o 3 2 m m ，基 底材料为b t 树脂，厚o 2 7t o n i ，其结构如下图： 与f b g a 器件样品相应的t e s t p c b 板( 图2 4 ) 为双面覆铜f r - 4 环氧树脂 板，大小为1 3 3 c r u x 3 2 e m ，厚o 8 m m ，共可贴装1 0 个b g a 器件。 图2 4t e s t - p c b 板的表面布线 有铅，无铅b g a 器件和t e s t - p c b 板需进行特殊雏菊链( d a i s yc h a i n ) 的设计， 通过b g a 封装内焊球间的引线键合和p c b 板的布线( 如图2 5 ) ，将所有的b g a 焊球串联起来，从而可在p c b 板的i n o u t 端测得b g a 样品所有焊球串联的总电 阻值。 第二章b g a 封装的力学可靠性跌落试验 嚆渊8 粥$ “气2 霉 器 霹霉 路sg 兽 霉2 害磷g 霉2 8g 霉 g 嚣- 翟8 e 0 0 - 日o 哼 一p o n p a c k a b l e ( a ) b g a 器件内连线( b ) p c b 表面布线和编号 图2 5 b g a 器件和p c b 板的d a i s y c h a i n 设计 样品包含有铅( s n 3 7 p b ) 和无铅( s n 3 a g o 5 c u ) 焊球样品。用典型的s m t 技术对有铅无铅b g a 器件进行回流焊，实装到p c b 上( 如图2 6 ) 。要得到良 好的b g a