CBGA器件焊点温度循环失效分析

吕晓瑞，林鹏荣，黄颖卓，唐超，练滨浩，姚全斌

（北京微电子技术研究所，北京　100076）



CBGA器件焊点温度循环失效分析

吕晓瑞，林鹏荣，黄颖卓，唐超，练滨浩，姚全斌

（北京微电子技术研究所，北京100076）

陶瓷球栅封装阵列 （CBGA）器件的陶瓷器件与印制电路板之间热膨胀系数的差异是导致焊点失效的主要因素，其可靠性一直是CBGA封装器件设计时需重点考虑的问题［1］。对CBGA植球器件的板级表贴焊点在-55～105℃温度循环载荷条件下的失效机理进行了研究，结果表明，CBGA板级表贴器件的焊点的主要失效部位在陶瓷一侧焊料与焊球界面和焊点与焊盘界面两处，边角焊点优先开裂，是失效分析的关键点；随着循环周期的增加，内侧链路依次发生断路失效。

陶瓷球栅封装阵列；温度循环；菊花链设计；可靠性

0　引言

BGA按封装基板材料分主要有4种基本类型：PBGA、EBGA、CBGA和TBGA。为了满足多引脚、高散热能力、高频、低损耗、小型和薄形等各种特殊需要，每种BGA又派生出了许多新的形式［2］。CBGA的芯片连接在多层陶瓷载体的上表面，芯片与多层陶瓷载体的连接可以有两种形式：1）是芯片的电极面朝上，采用金属丝压焊的方式实现连接；2）是芯片的电极朝下，采用倒装片方式来实现芯片与载体的连接。芯片连接固定之后，采用环氧树脂等灌封材料对其进行封装以提高其可靠性，提供必要的机械防护［3］。

在表面贴装技术 （SMT：Surface Mount Techno1ogy）的应用推广过程中，为了满足集成电路小型化、多引脚、高密度和高可靠的封装要求，焊点的可靠性问题，即在功率循环和温度循环中由于电子元件与基板材料之间存在热膨胀失配，使焊点内部产生应力而最终导致焊点失效的问题受到了人们越来越多的关注［4］。焊点在温度循环条件下的可靠性问题可以通过试验研究和理论计算两种途径来解决。

本文对CBGA植球器件板级表贴焊点在温度循环载荷条件下的疲劳可靠性和失效模式进行了研究分析，对焊点疲劳寿命进行了试验研究，并对焊点的失效模式进行了分析。

1　试验方法

板级可靠性试验采用的CBGA陶瓷外壳的尺寸为 35 mm×35 mm×2.5 mm，阵列形式是CBGA729，焊盘节距为1.27 mm，焊盘直径为0.70 mm，焊球直径为0.76 mm，焊球和焊料的成分分别为90Pb10Sn和63Sn37Pb。表贴用PCB基板的尺寸为230 mm×145 mm×2.35 mm，焊盘节距为1.27 mm，焊盘直径为0.70 mm。

为了有效地检测焊点在温度循环试验过程中的互连状态，采用菊花链路设计对陶瓷外壳和PCB基板进行布线，如图1所示，通过测试链路的电阻来检测焊点是否发生开裂。

图1　菊花链路布线设计图

按照IPC 9701进行温度循环可靠性试验，温度范围为-55～100℃，高低温保温15 min，升降温速率为10℃/min，循环周期约为1 h，温度循环曲线如图2所示。

图2　温度循环曲线

2　结果分析和讨论

2.1热疲劳失效

将完成了植球的CBGA植球器件表贴到PCB基板上后，对表贴样品进行前烘处理，然后在温循箱中进行温度循环试验，每隔100个周期将表贴样品取出并进行焊点外观检查和电通断测试，CBGA板级表贴样品如图3所示。温度循环过程中通过测试菊花链路的电阻值对焊点的电连接性进行检测，以链路的电阻值作为判定焊点是否失效的依据。

图3　CBGA板级表贴样品

试验结果表明，CBGA板级表贴器件在周期性变化的温度载荷条件下，由于陶瓷外壳和PCB基板的热膨胀系数不匹配引起的应力应变会导致焊点发生一定的变形，随着循环周期的增加，焊点变形会越来越严重。表贴后的器件在温度循环过程中，材料会发生热胀冷缩现象，不同材料的热胀冷缩的程度取决于其热膨胀系数，由于陶瓷封装体与PCB基板之间的热膨胀系数的差异较大，温度升降过程中两者的变形量相差也较大，所以焊点会承受这种变形量差异带来的剪切力的作用，并在焊点内部产生应力集中。可见，在周期性的载荷应力的作用下，焊点发生了不同程度的变形，两侧焊点的变形最严重，内侧焊点的变形量逐渐地减小。在温度循环载荷的作用下，焊点所承受的剪切力的大小和方向也发生周期性的变化，周期性应力集中会促使焊点内部裂纹的萌生和生长，最终导致焊点开裂和断路，温度循环过程中表贴焊点的外观演变如图4所示。

图4　温度循环过程中表贴焊点的外观演变

菊花链路电通断测试结果表明，菊花链路的电阻值在焊点断裂之前几乎不会发生明显的变化，该过程中焊点的内部裂纹会不断地萌生和生长，当焊点开裂到一定的程度时，链路的电阻值急剧地增大，此时可以认为链路中的焊点发生了断路，电气性能已经不能满足要求。试验结果表明，在600次温度循环之后，器件的外围链路首先发生了断路，随着循环周期的增加，内侧链路依次发生断路失效。对于CBGA植球器件而言，边角处的焊点在温度循环过程中所承受的剪切应力最大，最容易发生变形、出现裂纹和断裂，是失效分析的关键点，边角处焊点的温度循环疲劳寿命可以反映整个器件的疲劳寿命。

2.2失效机理分析

为了分析焊点的失效机理和裂纹的扩展方式，对电通断失效器件的焊点进行了焊点界面SEM分析。试验结果表明，陶瓷一侧焊料与焊球界面和焊点与焊盘界面处首先萌生裂纹，随着温度循环过程的继续，裂纹沿界面向焊点内部扩展，两侧裂纹接触后导致了最终焊点的开裂失效，如图5所示。同时，发现器件左右两侧焊点裂纹萌生的位置和扩展方向呈对称趋势，这与CBGA器件本身阵列排布地轴对称相关。

图5　表贴焊点裂纹扩展图示

在CBGA器件表贴回流过程中，由于PCB基板的热膨胀系数与陶瓷外壳的相差较大，回流升温时PCB基板发生的延伸量更大，降温冷却过程中焊点凝固后，基板还未来得及收缩，在冷却到室温时会在焊点处产生应力集中，焊点与器件中心的距离越远，PCB基板和陶瓷外壳之间的相对位移越大，焊点内部的残余应力也就越大。CBGA器件表贴回流过程如图6所示，在此过程中焊点内侧陶瓷器件焊盘一侧承受压应力，外侧PCB基板焊盘一侧承受拉应力，表贴工艺过程在焊点处产生的残余应力会诱发后期可靠性试验过程中焊点裂纹的萌生，温度循环试验过程中材料之间热失配产生的周期性剪切应力促进焊点裂纹扩展、导致开裂断路失效。

图6　CBGA器件表贴回流过程示意图

3　结束语

通过对CBGA植球器件的板级表贴焊点在温度循环载荷条件下的疲劳可靠性和失效模式进行分析，得到了以下几点结论。

a）在温度循环载荷作用下，周期性内应力促使焊点内部裂纹的萌生和生长，焊点发生歪斜变形，边角焊点的变形更严重。

b）在温度循环加速老化过程中，器件外围链路会优先发生断路失效，随着循环周期的增加，内侧链路依次发生断路失效。

c） CBGA器件表贴工艺过程产生的残余内应力会促使焊点裂纹在焊点界面萌生，陶瓷一侧焊料与焊球界面和焊点与焊盘界面处首先发生开裂，裂纹沿界面向焊点内部扩展，两侧裂纹接触后导致了最终焊点的开裂失效。

［1］薛松柏，胡永芳，禹胜林，等.热循环对CBGA封装焊点组织和抗剪强度的影响 ［J］.焊接学报，2006，27（6）：1-4.

［2］孙轶，何睿，班玉宝，等.陶瓷焊球阵列封装可靠性研究与试验分析 ［J］.航空科学技术，2014，25（8）：87-90.

［3］陈丽丽，李思阳，赵金林.BGA焊点可靠性研究综述［J］.电子质量，2012（9）：22-27.

［4］CHARBONNEAU Pau1，OHMAN Hans，FORTIN Marc. So1der joint re1iabi1ity assessment for a high performance RF ceramic package［C］//IMAPS 2014 Proceedings，2014.［5］ZHOU Hai，ZHANG Jia-wei，SHEN Chao-bo，et a1.Effects on the re1iabi1ity of 1ead-free so1der joints under harsh environment［C］//IMAPS 2014 Proceedings，2014.

Failure Analysis of the Solder Point of CBGA during Thermal Cycling

LU Xiao-rui，LIN Peng-rong，HUANG Ying-zhuo，TANG Chao，LIAN Bin-hao，YAO Quan-bin
（Beijing Microe1ectronics Techno1ogy Institute，Beijing 100076，China）

The difference of therma1 expansion coefficient between ceramic device and PCB of CBGA device is the main factor causing the fai1ure of so1der joint，and the re1iabi1ity of so1der joint has become a significant consideration whi1e designing CBGA packaging device.The fai1ure mechanism of board-1eve1 surface-mounted so1der joint of CBGA device under the temperature cyc1ing 1oad within-55～105℃ is studied.The results show that the main failure parts of solder joint of CBGA board-level surface-mounted device are the interface between solder and solder ball as well as the interface between solder joint and pad.The corner joints crack first1y，which is the key point of the fai1ure ana1ysis.And with the increase of cyc1e periond，the inner 1inks gradua11y break and fai1.

CBGA；temperature cyc1e；daisy chain design；re1iabi1ity

TN 305.94

A

1672-5468（2016）03-0019-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.004

2015-11-24

2016-01-12

吕晓瑞 （1985-），女，山西运城人，北京微电子技术研究所工程师，主要从事CBGA、CCGA及倒装焊封装结构工艺技术研发、封装失效分析与可靠性研究等工作。