基于BGA填充胶封装焊点可靠性研究

移动电话、笔记本电脑，上网本，PDA等便携式电子终端产品的小型化、低成本和高性能的要求， 使得BGA芯片需求量越来越高，但客户使用不当，如冲击、震动均可能导致焊点失效，引起产品出现故障，而底部填充胶封装BGA焊点，将芯片与基板黏成一体，减少热循环过程中的相对移动、增加焊点的疲劳寿命、缓冲并释放因冲击在焊点上所产生的应力，但不同的填充胶对基板封装的可靠性却表现不同，本课题通过实验和热应力分析方法，研究筛选出热应力较低的底部填充胶，有效提高BGA封装焊点的可靠性。 1. 实验 1.1实验条件

实验PCB试样是一个2×4阵列BGA的主板，尺寸115x77mm、厚度1.65mm，基材FR-4，焊盘表面处理工艺为HASL。BGA器件为塑封PBGA封装结构、焊球间距0.5mm，芯片尺寸4×4mm。实验选用某品牌BGA填充胶，有A、B、C、D、E等型号。A胶不含填充剂，粘度7250cps（25℃）, 热膨胀系数(CTE)60x10-6K-1、固化温度165℃，B胶也不含填充剂，粘度、热膨胀系数与A胶相同，所不同的是固化温度，为135℃。C胶含有60％的二氧化硅填充剂，粘度15000cps（25℃）, 热膨胀系数(CTE)31x10-6 K-1、固化温度150℃，D胶含有50％的二氧化硅填充剂，粘度6000cps（25℃）, 热膨胀系数(CTE)41x10-6 K-1、固化温度120℃，E胶含有40％的二氧化硅填充剂，粘度5000cps（25℃）, 热膨胀系数(CTE)45x10-6 K-1、固化温度115℃。实验选用某品牌免清洗焊膏，再流焊炉支持无铅焊接，实验在室温20～25℃、相对湿度 50～65%RH、气压 101Kpa条件下进行。 1.2实验内容

实验一基板跌落测试。选取实验试样主板15片，分为1、2、3组，每组5片基板，1组不使用填充胶焊接BGA焊点,2组使用A胶焊接BGA焊点,3组使用C胶焊接BGA焊点。实验选用某品牌跌落实验机，主要由冲击台面、基座、导轨、夹具(一般为螺栓)、衬垫(毛毡、尼龙等)组成。装有BGA组件基板通过夹具安装在基座上，其中基座一般是由铝、铁、铜等金属制成的质量较大的块体。当把基座抬升到1830mm高度，然后让其沿导轨自由下落，在基座与放在实验台上的衬垫碰撞的过程中会产生一个冲击载荷，它实际上就是一个冲击加速度脉冲。由于基座及夹具的固有频率比BGA组件的固有频率要大得多，因而可以认为碰撞产生的冲击载荷会无失真地沿着夹具加载到BGA组件上。换句话说，基座连同夹具可以看成一个刚体，这样我们就可以在BGA组件的夹具加持点上直接加载冲击载荷来研究BGA组件的动态特性及焊点的应力应变情况。试样基板跌落每边跌落两次共计8次为一个跌落周期。跌落实验中,当BGA焊点的总串联电阻比跌落前增大20%时,样品被判定为已失效.

实验二基板热循环测试。选取实验试样主板20片，每组5片，分成1、2、3、4组，1组不

使用填充胶焊接BGA焊点, 2组使用B胶焊接BGA焊点；3组使用D胶焊接BGA焊点；4组使用E胶焊接BGA焊点。实验参照IPC9701表面安装锡焊件性能实验方法与鉴定要求标准，将焊有BGA的试样基板，放入高低温热冲击箱进行冷热循环实验，高低温热冲击箱有上下两个冷热温度室，通过升降系统使试样循环地蜀于两个温度室中，用控温的干燥空气流对其进行加热和冷却，并与周围环境隔绝，使试样经历所需要的热循环过程。热循环条件采用两种研究方案，方案1要求温度为-40℃～+85℃，循环周期900s，升温速率0.25～0.33℃/s，循环次数1000次；方案2要求温度为 0℃～+100℃，循环周期600s，升温速率0.17℃/s。进行热循环测试的基板从0周开始循环，200周开始观察，以后分别在400、600、800、1000、1100、1200周各取出部分焊点，对其进行金相分析，发现失效BGA焊点。 2、实验结果与分析

实验一，第一组未加底部填充胶BGA试样基板，经过8次跌落的1个周期，测试发现试样基板出现失效现象；第二组填充A胶焊接BGA焊点的试样基板，经过56次跌落的7个周期，测试发现试样基板出现失效现象；第三组填充C胶焊接BGA焊点的试样基板，经过112次跌落14个周期，测试发现试样基板出现失效现象。图1是采用SEM对第3组失效样品BGA焊点截面的微观结构观察分析图，在跌落实验时,样品在碰撞瞬间受到的巨大冲击力使得PCB板发生阻尼震荡,表现为反复的向上/向下弯曲形变. 在这个形变过程中, BGA焊点受到周期性的拉应力作用, 在多次的周期性拉应力作用下,BGA焊接界面将出现疲劳裂痕,并随着裂痕不断扩张、延伸,导致焊接互连体系会出现开裂,最终造成整个BGA /PCB焊接点的疲劳失效，对失效样品的分析表明,BGA焊点的机械疲劳失效通常表现为焊点连接处的裂纹或焊球的开裂,其中大部分裂纹出现在靠近焊点—封装基板Ni/Cu焊盘界面的一侧，图1显示了跌落实验中出现的焊点的不同失效模式,可以看到,焊点受到过应力作用而出现裂纹,裂纹起始于PCB板金属焊盘与BGA焊球焊接界面的边缘，如图1(a)中A处所示,并沿焊接界面向内部延伸,严重的造成整个焊接界面的延性断裂,如图1(b)所示， 另外,裂纹也可能穿通PCB的Cu焊盘,并沿焊盘与FR24树脂的界面扩张,使该界面发生分层现象,引起PCB板的开裂，如图1(c)所示。宗上分析，从实验一中可得出，BGA焊点封装填充A胶焊接的试样基板，可大幅度改善耐跌落测试能力。

图1 焊点跌落失效SEM图片

实验二，对于方案1，第1组未加底部填充胶BGA试样基板，执行到150个周期，出现第一次焊点失效，且全部样品均未能通过最后的测试，远低于1000周期，平均失效次数低于1000周期。第2、3、4组有填充胶BGA封装的焊点试样基板，在热循环测试中，只有第2组有底部填充胶B的试样基板出现失效，也是唯一出现的焊点失效的试样基板，失效发生在 1000周期以上；对于方案2，第1组未加底部填充胶BGA试样基板，出现第一次失效发生在超过 1000周期，平均失效次数超过2000周期，但最终所有的样品均没通过测试，第2组填充B胶BGA封装焊点的试样基板，第一次失效与第1组试样基板周期相近，但平均失效周期增加了约50％，超过3000周期，约三分之一试样通过测试，第3组填充D胶BGA封装焊点的试样基板，第一次失效略有上升，平均失效周期相对于第1组试样基板几乎增加了一倍，至4170周期，三分之二的样品经过6120周期未见失效，第4组填充E胶BGA封装焊点的试样基板，第一次失效发生在3850周期，其余在测试结束前均未发生试样基板失效，所以无法确定平均失效周期。选取4组试样基板失效的焊点进行金相分析，如图2所示，从图中观察到，焊点失效产生的裂缝主要发生在焊点上，失效主要因BGA焊点与试样基板的热膨胀系数不匹配引发热机械应力，导致焊点疲劳而引起失效。

图2 焊点热循环失效SEM图片

BGA焊点开裂，主要原因是由底部填充胶和焊点的CTE差异及温度变化所导致的焊点内部热应力太大所产生。不同填充胶BGA封装焊点热应力可以通过式2-1的一维应力计算模型进行计算，从而能预测该填充胶试样基板是否具有最优异的抗热循环实验能力。

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?d?sd??j?sj上式中下标d-焊点，j-底胶，ε为杨氏係数;s是BGA焊球与基板焊盘面积，以及α是热膨胀係数，T为环境温度。