一、試驗樣品

某公司組織的試驗中使用了以下兩個高密度組裝測試板。
（1）VFBGA封裝。VFBGA封裝如圖1所示。硅芯片通過綁定連接到極薄的基板上。試驗所用的VFBGA，總封裝高度是1.0mm，間距0.5mm，植球之前量得的錫球直徑是0.3mm。

（2）SCSP封(feng)裝(zhuang)。SCSP封(feng)裝(zhuang)如圖2所示(shi)，是一個塑(su)模(mo)BGA封(feng)裝(zhuang)，可(ke)以裝(zhuang)入兩個或更多的(de)(de)CSP芯片。這種(zhong)堆疊式(shi)封(feng)裝(zhuang)的(de)(de)總封(feng)裝(zhuang)高度(du)是1.4mm，間距0.8mm，植球(qiu)之前(qian)量得的(de)(de)錫球(qiu)直徑為0.4mm。

這項評估使用的PCB板材是6層（1+4+1，中間4層，表面2層）FR4，在樹脂覆銅表面制作微孔。PCB總厚度為0.8～1.0mm。在這項研究中，使用了兩種表面涂層，即ENIG Ni/Au和Entec?Plus OSP。每塊板上有10個元件單元。1～5單元的印制板表面安裝焊盤100%的都帶過孔，6～10單元是無過孔表面安裝焊盤。封裝側的焊盤覆有電解鎳和沉金，焊盤之間用阻焊膜圖形隔開。

二、組裝工藝和實驗設計（DOE）

實驗板通過表面安裝技術將封裝連接在基板上。所有組裝好的板子都在X-射線檢測設備上進行開路和短路測試。在板子發回Intel之前，對每個元件進行了電氣連通測試，對失效元件作了記號。表1所示是為VFBGA和SCSP元件建立的實驗設計矩陣（僅列出向后兼容類型）。

表1 實驗DOE

注：BWC表示逆向兼容性（釬料球為SAC的BGA，用SnPb焊膏連接的封裝）；
FWC表示正向兼容性（釬料球為SnPb的BGA，用SAC焊膏連接的封裝）；
鉛對照表示封裝是SnPb釬料球的BGA，用SnPb焊膏連接。
在這個實驗設計矩陣中，之所以選擇如表所列的測試基準，其原因敘述如下。
（1）板面處理：研究中考察了兩種表面處理：
●ENIG Ni/Au；
●Entec?Plus OSP。
（2）焊點合金組分：
●BGA釬料球是無鉛釬料（SAC405），焊膏中合金成分為SnPb；
●對照組采用OSP芯片封裝側的焊盤合金是電解鍍鎳和閃金。
（3）再流溫度：研究中比照了兩種曲線，即
●保溫型曲線：起始階段溫度升到一個預定值，然后在這個溫度下保持一段時間，以蒸發掉焊膏中的揮發性成分，同時使板上的橫向溫度達到均衡。均溫段之后，溫度繼續上升到釬料熔化段。用于典型的錫-鉛板組裝。
●斜坡式曲線：完全沒有上述的均溫段。當要求再流爐提供較高的產能時采用這種曲線。
（4）峰值溫度：實驗中分別采用了兩個不同的峰值溫度。
●峰值溫度為208℃，再流時芯片SAC釬料球（熔點為217℃）不會完全熔化或坍塌。
●峰值溫度為（222+4）℃，再流時芯片SAC釬料球會熔化或坍塌。
（5）液相時間（TAL）：設計了兩個不同的TAL（183℃以上）值。
●較短的TAL是60～90s，有利于提高再流爐產能，但由于熔化時間短，可能不利于釬料成分達到完全均質。
●較長的TAL是90～120s，能提供充足的時間，使釬料球內的釬料成分達到完全均質，以避免產生元素偏析。

三、試驗項目

1 跌落試驗

（1）試(shi)驗條件。落(luo)體(ti)試(shi)驗對象(xiang)是板級，而(er)非系統級，試(shi)驗采(cai)用(yong)(yong)0.43kg的金屬(shu)載體(ti)，從1.5m的高度落(luo)到橡膠平(ping)臺上(shang)，PCB只(zhi)在4個角上(shang)用(yong)(yong)螺釘進行固定。測(ce)試(shi)時(shi)落(luo)體(ti)采(cai)用(yong)(yong)板面朝(chao)下這一嚴格的情(qing)況(kuang)進行。試(shi)驗次數達到50次以上(shang)，直到失效。落(luo)體(ti)測(ce)試(shi)裝置如(ru)圖3所示(shi)。為了得出每種工藝(yi)條件下的平(ping)均失效時(shi)間，對測(ce)試(shi)結果作(zuo)了統計分析計算。

（2）試驗結論。SCSP和VFBGA封裝的落體失效統計分析結果，對所有項目的平均落體失效都與對照組（SnPb釬料球的BGA用SnPb焊膏連接在OSP板上）進行了比較。
●SCSP封裝情況下，所有OSP板上的組件的平均落體失效率都比對照組高，而在ENIG Ni/Au板上的焊點則要比對照組低得多。
●VFBGA封裝情況下，所有ENIG Ni/Au板上的焊點（SAC釬料球用SnPb焊膏焊接）都比對照組稍差，僅有一項差一點達到目標，此項實驗的工藝條件是208℃峰值溫度，TAL為60～90s的均溫式曲線。其他多數OSP板上的VFBGA組件都比對照組好，但有一項稍差，工藝條件是208℃峰值溫度，TAL為60～90s的斜坡式曲線。

 ●斜(xie)坡式曲線、較低(di)的(de)峰值溫度和較短的(de)液相時(shi)間（30～60s）將導致所評估的(de)兩種封(feng)裝的(de)焊(han)點(dian)(dian)不可接受(shou)。圖4展示(shi)的(de)是一(yi)個(ge)缺陷焊(han)點(dian)(dian)的(de)剖面。涂上去的(de)焊(han)膏已經再流，但沒有熔合形成一(yi)個(ge)連(lian)續的(de)焊(han)接點(dian)(dian)。

2 溫度循環試驗
溫度循環試驗仿效產品在實際使用過程中，作用于封裝和互連的熱機械應力進行。溫度循環采用-40～125℃，30min為一個周期，高低溫轉換時間不到2min。每隔250個周期檢測一次溫度，記錄室溫和低溫讀數。

根據試驗結果(guo)得出的失效數據作出威布爾分布。測(ce)試持(chi)續時間為(wei)典型的1500～2 000個(ge)周期。測(ce)試目標是在800個(ge)周期內，威布爾分布置信度95%的前提下(xia)，失效率小于(yu)5%。

圖5顯示了威布爾分布圖（95%置信度）在800個周期時的總失效率。
SCSP和VFBGA封裝對照組的失效率都沒有達到800周期小于5%的目標。而SCSP封裝的SAC釬料球用SnPb焊膏在OSP板上的焊點，在DOE中所有工藝條件下都達到了目標。VFBGA組件也僅有一項實驗離目標稍差一點，那個焊點是在208℃峰值溫度，TAL為60～90s的斜坡式曲線下完成的。在ENIG Ni/Au板上，焊點隨工藝條件的變化沒有顯示確定的趨勢。與SCSP封裝相比，VFBGA封裝的總失效率較高，尤其是在208℃峰值溫度，TAL為60～90s的斜坡式曲線下。

四、失效模式

主要存在以下3種失效模式：

（1）圖6所(suo)示的釬料與(yu)板面(mian)之(zhi)間(jian)產(chan)生徹(che)底的界面(mian)分(fen)離(li)。這種失效(xiao)產(chan)生在(zai)Ni-Sn化(hua)合(he)層與(yu)Ni鍍層之(zhi)間(jian)。

（2）圖7所示的這個失效(xiao)位于(yu)(yu)焊點封裝側(ce)靠近金屬(shu)化(hua)合(he)物(wu)界(jie)面的地方，裂縫始于(yu)(yu)釬料，并向金屬(shu)化(hua)合(he)物(wu)界(jie)面延(yan)伸(shen)，或止于(yu)(yu)釬料但(dan)非常靠近金屬(shu)化(hua)合(he)物(wu)界(jie)面。

（3）過(guo)孔裂縫發生在早期失效單(dan)元(yuan)中。早期失效的(de)過(guo)孔裂縫由于鍍覆(fu)不均勻所致(zhi)。裂縫起于過(guo)孔底部，這里的(de)鍍覆(fu)較薄。圖8顯(xian)示了一個過(guo)孔裂縫的(de)例子(zi)。

五、失效機理

1.黑色焊盤

根據跌落(luo)試驗(yan)(yan)早期(qi)失(shi)(shi)效結果分析，說明這(zhe)(zhe)些失(shi)(shi)效或(huo)者是(shi)由于過孔(kong)裂(lie)縫(feng)，或(huo)者是(shi)由于釬料(liao)與PCB之(zhi)間(jian)(jian)徹底的(de)界(jie)面分離所致。進一步(bu)考察釬料(liao)與PCB之(zhi)間(jian)(jian)整齊的(de)界(jie)面分離情況，后發現，產生這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)失(shi)(shi)效模式的(de)單(dan)元都(dou)是(shi)ENIG Ni/Au板。這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)早期(qi)失(shi)(shi)效在跌落(luo)試驗(yan)(yan)中(zhong)表(biao)現得比在溫(wen)度循(xun)環(huan)試驗(yan)(yan)中(zhong)更突出。這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)失(shi)(shi)效被確定為所謂的(de)“黑焊盤”缺陷。在裂(lie)縫(feng)界(jie)面檢測(ce)到磷含量較高，裂(lie)縫(feng)呈渣化，如圖9所示(shi)。

2釬料球釬料未完全熔合

在溫度循環試(shi)驗中，大多數早(zao)期(qi)失效發生(sheng)在峰值溫度為(wei)208℃，183℃以上持續時(shi)間為(wei)60～90s，斜坡式曲線的(de)工藝條件(jian)下。這(zhe)類失效在 ENIG Ni/Au板上表現得更突(tu)出。斷面分析表明，焊(han)點在BGA的(de)SAC釬(han)料(liao)球（SAC405）與Sn37Pb釬(han)料(liao)之間沒有(you)完全熔合，如(ru)圖10所示。

3.阻焊膜錯位
在連接界面，Sn37Pb釬料內的Pb產生晶界擴散。在表面處理采用OSP的情況下，對于溫度循環試驗和跌落試驗觀察到的早期失效，Pb的偏析似乎不是主要原因。圖11所示是一個0.5mm間距的VFBGA封裝經過8次跌落試驗后得出的失效斷面圖。BGA釬料球組分是SAC，用Sn37Pb焊膏連接，峰值溫度為208℃，183℃以上的滯留時間是60～90s，采用斜坡式曲線，板面涂層為OSP。失效位于PCB側的Cu-Sn合金層。在焊盤和釬料兩側，都檢測到了Cu6Sn5。

在(zai)溫度循環試(shi)驗中(zhong)，早(zao)期(qi)失效發生(sheng)在(zai)封裝(zhuang)側(ce)。多半可能是(shi)由于阻(zu)焊膜定(ding)位(wei)問題(ti)和釬(han)料球偏(pian)離(li)有(you)關(guan)。

4.焊膏印刷量偏少
0.5mm間距VFBGA封裝的組件失效率高于0.8mm SCSP封裝的組件。可能的原因是VFBGA組件的焊膏印刷量較少（4mil厚的模板），以及快速而低溫的再流曲線，使得釬料自對位的時間和力度有限。
ENIG Ni/Au板上的失效，是焊點與板面之間產生整齊的分離。不過在250℃峰值再流的ENIG Ni/Au板上完全無鉛的焊點，以及Sn37Pb釬料球的BGA用SAC焊膏焊接的焊點，早期失效率卻很低。

六、結論

此項研究考察了常規SMT組裝成品率。
（1）0.5mm間距的VFBGA和0.8mm間距的SCSP的無鉛封裝，在Intel推薦的再流曲線用Sn37Pb焊膏組裝，OSP板面和ENIG Ni/Au板面的成品率都在99.2%以上。
（2）研究數據表明OSP板上SAC釬料球用Sn37Pb焊膏在特定工藝條件下可以滿足板級可靠性目標。這些條件歸納為一點，即BGA的SAC釬料球要與Sn37Pb焊膏完全熔合。這里的目標定義為：溫度循環800次靜態失效率小于5%時，平均失效等于或好于Sn37Pb對照組。

（3）ENIG Ni/Au和(he)其(qi)他板面上(shang)的“黑焊(han)盤(pan)”缺(que)陷(xian)影響了實驗數據。當(dang)板子本(ben)身存(cun)在缺(que)陷(xian)時，SAC釬料球BGA和(he)SnPb焊(han)膏組件在機械沖擊負載(zai)下的失效風險很高。

文章出自：可靠性雜(za)壇