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技術貼|混合合金焊點的可靠性試驗和評估
來源(yuan): 可靠(kao)性(xing)雜(za)壇 時間:2019-12-21

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。
圖1 0.5mm間距的VFBGA封裝圖示
圖1 0.5mm間距的VFBGA封裝圖示

(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。

圖2 0.8mm間距的SCSP

圖2 0.8mm間距的SCSP
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

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)(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。

圖3 落體測試裝置

圖3 落體測試裝置
(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)。

圖4 峰值溫度208℃

圖4 峰值溫度208℃/TAL 60~90s斜坡曲線形成的焊點
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 各種工藝條件

圖5 各種工藝條件下SCSP和VFBGA封裝在800次溫度循環周期(-40~125℃,30min循環一次)的失效率(累積失效百分比)
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。

圖6 0.8mm SCSP封裝所產生的整齊分離

圖6 0.8mm SCSP封裝所產生的整齊分離(SAC釬料球的BGA用Sn37Pb焊接)

(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。

圖7 0.5mmVFBGA封裝界面所產生的釬料裂縫

圖7 0.5mmVFBGA封裝界面所產生的釬料裂縫(無鉛BGA釬料球用Sn37Pb焊接)

(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。

圖8 0.8mm SCSP封裝所產生的過孔缺陷

圖8 0.8mm SCSP封裝所產生的過孔缺陷(這個失效是在第500次循環讀數時檢測到的)

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。

板上失效焊點的黑焊盤斷面失效

圖9 ENIG Ni/Au板上失效焊點的黑焊盤斷面失效發生在Ni-Sn合金層與Ni層的界面之間
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。

圖10 不完全熔合

圖10 不完全熔合
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。

圖11 阻焊膜錯位

圖11 阻焊膜錯位,0.5mm間距的VFBGA封裝OSP板,8次落體試驗失效
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

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