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(shi)一個塑模BGA封(feng)裝(zhuang)，可以裝(zhuang)入兩(liang)個或更多的CSP芯片。這種堆疊式封(feng)裝(zhuang)的總(zong)封(feng)裝(zhuang)高度是(shi)1.4mm，間距0.8mm，植(zhi)球之前(qian)量得的錫球直徑為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(yan)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)(shi)驗條件。落體(ti)(ti)(ti)試(shi)(shi)驗對(dui)(dui)象(xiang)是(shi)板級(ji)，而(er)非系統級(ji)，試(shi)(shi)驗采(cai)用(yong)0.43kg的(de)金屬(shu)載體(ti)(ti)(ti)，從1.5m的(de)高度落到橡膠平(ping)臺上(shang)(shang)，PCB只(zhi)在4個角(jiao)上(shang)(shang)用(yong)螺釘進(jin)行固定。測試(shi)(shi)時落體(ti)(ti)(ti)采(cai)用(yong)板面(mian)朝(chao)下這(zhe)一嚴(yan)格的(de)情況進(jin)行。試(shi)(shi)驗次數達到50次以上(shang)(shang)，直到失效。落體(ti)(ti)(ti)測試(shi)(shi)裝置如圖(tu)3所示。為了得出每種工藝條件下的(de)平(ping)均失效時間，對(dui)(dui)測試(shi)(shi)結果作了統計(ji)分析計(ji)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)(de)(de)峰(feng)值溫度和較短的(de)(de)(de)液相時間（30～60s）將導致所(suo)評估的(de)(de)(de)兩種封裝的(de)(de)(de)焊(han)點(dian)不可接受(shou)。圖4展示的(de)(de)(de)是一個(ge)缺陷(xian)焊(han)點(dian)的(de)(de)(de)剖面。涂(tu)上去的(de)(de)(de)焊(han)膏已經再流，但(dan)沒(mei)有(you)熔合形成(cheng)一個(ge)連續的(de)(de)(de)焊(han)接點(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(gen)據(ju)試(shi)(shi)驗(yan)結果得出的失效(xiao)數據(ju)作(zuo)出威布(bu)爾分(fen)(fen)布(bu)。測試(shi)(shi)持(chi)續時間為典型的1500～2 000個(ge)(ge)周期(qi)。測試(shi)(shi)目(mu)標(biao)是在800個(ge)(ge)周期(qi)內(nei)，威布(bu)爾分(fen)(fen)布(bu)置(zhi)信度(du)95%的前提下，失效(xiao)率小(xiao)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所示的(de)釬料與板面之間產生(sheng)(sheng)徹底的(de)界(jie)面分離。這種失效產生(sheng)(sheng)在Ni-Sn化(hua)合層與Ni鍍層之間。

（2）圖7所示的這個失效位于焊點(dian)封裝側靠(kao)近金(jin)屬化(hua)合(he)物界(jie)面的地方(fang)，裂縫始(shi)于釬料(liao)(liao)，并向金(jin)屬化(hua)合(he)物界(jie)面延伸，或止于釬料(liao)(liao)但非常靠(kao)近金(jin)屬化(hua)合(he)物界(jie)面。

（3）過孔(kong)(kong)(kong)裂縫(feng)發生在早(zao)期(qi)失效單元中。早(zao)期(qi)失效的(de)過孔(kong)(kong)(kong)裂縫(feng)由(you)于(yu)鍍覆不均(jun)勻所致。裂縫(feng)起(qi)于(yu)過孔(kong)(kong)(kong)底部，這里的(de)鍍覆較薄(bo)。圖(tu)8顯示了一個過孔(kong)(kong)(kong)裂縫(feng)的(de)例子。

五、失效機理

1.黑色焊盤

根據(ju)跌(die)落(luo)試(shi)驗(yan)早期失效(xiao)結果分析，說明(ming)這(zhe)(zhe)(zhe)些失效(xiao)或者(zhe)是(shi)由(you)于過(guo)孔(kong)裂(lie)縫(feng)，或者(zhe)是(shi)由(you)于釬料(liao)與PCB之(zhi)間徹(che)底的界面(mian)分離所(suo)(suo)致。進一(yi)步考(kao)察釬料(liao)與PCB之(zhi)間整齊(qi)的界面(mian)分離情況，后(hou)發(fa)現(xian)，產生這(zhe)(zhe)(zhe)種失效(xiao)模式(shi)的單元(yuan)都是(shi)ENIG Ni/Au板(ban)。這(zhe)(zhe)(zhe)種早期失效(xiao)在跌(die)落(luo)試(shi)驗(yan)中表現(xian)得(de)比在溫度(du)循環(huan)試(shi)驗(yan)中更(geng)突出(chu)。這(zhe)(zhe)(zhe)種失效(xiao)被確定(ding)為(wei)所(suo)(suo)謂的“黑(hei)焊(han)盤”缺陷(xian)。在裂(lie)縫(feng)界面(mian)檢測到磷含量較(jiao)高，裂(lie)縫(feng)呈渣化，如圖9所(suo)(suo)示。

2釬料球釬料未完全熔合

在(zai)溫度循環試驗中，大多(duo)數早期失(shi)效發生在(zai)峰值溫度為(wei)208℃，183℃以(yi)上(shang)持(chi)續時間為(wei)60～90s，斜(xie)坡(po)式曲線的(de)(de)工藝條件下。這類失(shi)效在(zai) ENIG Ni/Au板上(shang)表現(xian)得更突出。斷面(mian)分(fen)析(xi)表明，焊點在(zai)BGA的(de)(de)SAC釬料球(qiu)（SAC405）與Sn37Pb釬料之間沒(mei)有完全熔合，如(ru)圖(tu)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。

在溫度循環試驗中，早(zao)期失效發(fa)生在封裝側。多(duo)半可(ke)能是由(you)于阻焊膜定位問題和釬料球偏離(li)有關。

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)其他板(ban)面上的“黑焊(han)盤”缺陷影響了實驗數據。當板(ban)子(zi)本(ben)身存(cun)在缺陷時，SAC釬料球BGA和(he)SnPb焊(han)膏組件在機械(xie)沖擊(ji)負載下的失效風(feng)險很高。

文章出自：可靠性雜壇