一、試（shì）驗樣品

某公司組織的試驗中使用了以下兩個高（gāo）密度組裝測試板。
（1）VFBGA封（fēng）裝。VFBGA封裝如圖1所示。矽芯（xīn）片通過綁定連接到極（jí）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（shì）0.3mm。

（2）SCSP封裝。SCSP封裝如圖2所示，是一個塑模（mó）BGA封裝，可以裝入兩個或更多的CSP芯片。這種堆（duī）疊式封裝的總（zǒng）封裝高度（dù）是1.4mm，間距（jù）0.8mm，植球之（zhī）前量得的錫球直徑為0.4mm。

這項（xiàng）評估使用的PCB板材是6層（1+4+1，中間4層，表麵2層）FR4，在樹脂覆銅表麵製作微孔。PCB總厚度為0.8～1.0mm。在這項研究中，使用了兩種表麵塗層，即ENIG Ni/Au和Entec®Plus OSP。每塊板上有10個元件單元。1～5單元的印製（zhì）板表麵安裝焊盤100%的都帶過（guò）孔，6～10單元（yuán）是無過孔表麵安裝焊盤（pán）。封（fēng）裝側的焊盤覆有電（diàn）解鎳（niè）和沉（chén）金，焊盤之間用阻焊膜圖形（xíng）隔開。

二、組裝工藝和（hé）實驗設計（DOE）

實驗板通過表麵安裝（zhuāng）技術將封裝連（lián）接在基板上。所（suǒ）有組裝好的板子都（dōu）在X-射線檢測（cè）設備上進行開路和短（duǎn）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（suǒ）示是為VFBGA和SCSP元件建立的實（shí）驗設計矩陣（僅列出向後兼容類型）。

表1 實驗DOE

注：BWC表示逆向兼容性（釺料球為SAC的BGA，用SnPb焊膏連接的封裝）；
FWC表示正向兼容（róng）性（釺料球為SnPb的BGA，用SAC焊膏連接的封（fēng）裝（zhuāng））；
鉛（qiān）對照表示封（fēng）裝是SnPb釺料球的BGA，用（yòng）SnPb焊膏連（lián）接。
在這個實驗設計矩陣中（zhōng），之所以選（xuǎn）擇如表所列的測試基準，其（qí）原因敘述如下。
（1）板麵（miàn）處理：研究中考察了兩種表麵處理：
●ENIG Ni/Au；
●Entec®Plus OSP。
（2）焊點合金組分：
●BGA釺料球（qiú）是無鉛釺料（SAC405），焊膏（gāo）中合金成分為SnPb；
●對照組（zǔ）采用OSP芯片封（fēng）裝側的焊盤合金（jīn）是電解鍍鎳和閃金。
（3）再流溫度：研究中比照了兩種曲（qǔ）線，即
●保溫型曲線（xiàn）：起始階段溫度升到一（yī）個預定值，然後在這個（gè）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（jun1）衡。均溫段之後，溫（wēn）度繼續上（shàng）升到釺料熔化段。用於（yú）典型的錫-鉛板組裝。
●斜坡式曲線：完（wán）全沒有上述的均（jun1）溫段（duàn）。當要求再流爐（lú）提供較高的產能時采用這種曲線。
（4）峰值溫度：實驗（yàn）中分別采（cǎi）用了兩個不同的峰（fēng）值溫度。
●峰值溫度為208℃，再流時芯片SAC釺料球（熔點為217℃）不會完（wán）全（quán）熔化或坍塌。
●峰值溫（wēn）度為（222+4）℃，再流時芯片SAC釺料球會熔化或坍塌。
（5）液相時間（TAL）：設（shè）計了兩個不同的TAL（183℃以上（shàng））值。
●較短的TAL是（shì）60～90s，有利於提高再流爐產能（néng），但由於熔化時間短，可能不利於釺料成分達到完全均質。
●較（jiào）長（zhǎng）的TAL是90～120s，能提供充足的時間，使釺料球內的釺料成分達到完全均質，以避免產生元（yuán）素偏析。

三、試驗項目

1 跌落試驗

（1）試驗條件。落體試驗對象是板級，而非係統級，試驗采用0.43kg的金屬載體，從1.5m的高度落到橡（xiàng）膠平（píng）台上，PCB隻在4個角上用螺釘進行固定。測試時落體采用板（bǎn）麵朝下這一（yī）嚴格（gé）的情況進行。試驗次數達到50次（cì）以上，直到失（shī）效。落體測試裝置如圖3所示。為了得（dé）出（chū）每（měi）種工藝條件下的平均失（shī）效時間，對測試結（jié）果作了（le）統計分析計算。

（2）試驗結論。SCSP和VFBGA封裝的（de）落體失效統計分析結（jié）果，對所有項目的平均落體（tǐ）失效都與對照組（SnPb釺料（liào）球的BGA用SnPb焊膏連接在OSP板上）進（jìn）行了比較（jiào）。
●SCSP封裝情況下，所有OSP板上的組件的（de）平均落體（tǐ）失效率都比對照組高，而在ENIG Ni/Au板上（shàng）的焊點則（zé）要比對照組低得多。
●VFBGA封裝情（qíng）況（kuàng）下，所有ENIG Ni/Au板上的焊點（SAC釺料球用SnPb焊（hàn）膏焊接）都比對照組稍差（chà），僅（jǐn）有一項差一點（diǎn）達（dá）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（shì）曲線。其他多數OSP板上的VFBGA組件都比（bǐ）對照組好，但（dàn）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。

●斜坡式曲線（xiàn）、較低的峰值溫度和較短的液相時間（30～60s）將導致所（suǒ）評估的兩種封（fēng）裝的焊點不可接受。圖4展（zhǎn）示的是一個（gè）缺陷焊點的剖麵。塗上去的焊（hàn）膏已經再流，但沒有熔合（hé）形成一個（gè）連續的焊接點。

2 溫度循環試驗
溫度循（xún）環試驗仿效產品在實際使用過程中，作用於封裝和互連（lián）的熱機械應力進（jìn）行。溫度（dù）循環采用-40～125℃，30min為一個（gè）周期（qī），高低溫轉換時間不（bú）到2min。每隔250個周期檢測一次（cì）溫度，記錄室溫和低溫讀數。

根據試驗結果得（dé）出的（de）失效數據作出威布爾分布。測試持續時間為典型的1500～2 000個周期。測試目標是在（zài）800個周期內，威布爾分布置（zhì）信度95%的前（qián）提下，失（shī）效率小於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（lǜ）。
SCSP和VFBGA封裝對照組的失（shī）效率都沒有達到（dào）800周期小於5%的目標。而SCSP封裝的SAC釺料球用SnPb焊（hàn）膏在OSP板上的焊（hàn）點，在DOE中所有工藝條（tiáo）件下都達到了目標。VFBGA組件也僅有一項實（shí）驗離目標稍差一點，那個焊點是（shì）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（shàng），焊點隨工藝條件（jiàn）的變化（huà）沒有顯示確定的趨勢。與（yǔ）SCSP封裝相（xiàng）比，VFBGA封裝的總失效率較（jiào）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）釺料與板麵（miàn）之間產生徹底的（de）界（jiè）麵分離。這（zhè）種失效產生在Ni-Sn化合層與Ni鍍層之間。

（2）圖7所示的這個失效位於焊點封裝側靠近金屬化合物界麵的（de）地方，裂縫始於釺料，並向金屬化（huà）合物界麵延伸，或止於釺料但非常靠近金屬化合物界麵。

（3）過孔（kǒng）裂縫發生在早期失效單元中。早期失效的（de）過（guò）孔裂縫（féng）由於鍍覆（fù）不均勻所致。裂縫起（qǐ）於過孔底部，這裏的鍍覆較（jiào）薄。圖8顯示了一個過孔裂縫的（de）例（lì）子（zǐ）。

五、失（shī）效機理

1.黑色焊盤

根據跌落試驗早期失效（xiào）結果分析，說明這些（xiē）失效或者是由於（yú）過孔裂縫，或者是由於（yú）釺料與（yǔ）PCB之間徹底的界麵分離所致。進一步考察釺料與PCB之間整齊的界麵分離情況，後發現，產生這（zhè）種失效模（mó）式的（de）單（dān）元都是ENIG Ni/Au板。這種早期失效在跌落試驗中表現得（dé）比在溫（wēn）度循環（huán）試驗中更突（tū）出。這種失效被確定為所謂的“黑焊盤”缺陷。在裂縫界麵檢（jiǎn）測到磷含量較高，裂縫呈渣化，如圖9所示。

2釺料球釺料（liào）未完全熔合（hé）

在溫度循環試驗中，大多數早期失效發生在峰值溫度為208℃，183℃以上持續時間（jiān）為60～90s，斜坡式曲線（xiàn）的工藝條件下（xià）。這類失效在 ENIG Ni/Au板上表現得更突出。斷麵分析表明，焊點（diǎn）在BGA的SAC釺料球（SAC405）與Sn37Pb釺料之（zhī）間沒有完全熔合，如（rú）圖10所（suǒ）示。

3.阻焊膜錯位
在連接界麵，Sn37Pb釺料內的Pb產生晶界擴散（sàn）。在表麵處理采（cǎi）用OSP的情況（kuàng）下，對於溫度循環試驗和跌落試驗觀（guān）察到的（de）早期失效，Pb的偏（piān）析似乎不是主要原因（yīn）。圖11所示（shì）是一個0.5mm間距的（de）VFBGA封裝經過8次跌落試驗後得（dé）出的失效斷（duàn）麵圖。BGA釺料（liào）球組分（fèn）是SAC，用Sn37Pb焊膏連接，峰值（zhí）溫度為208℃，183℃以上的滯留（liú）時間（jiān）是60～90s，采用斜坡式曲線，板麵塗層為OSP。失（shī）效位於PCB側的Cu-Sn合金層。在焊盤和釺（qiān）料兩側，都檢測到了Cu6Sn5。

在溫度循環試驗中，早期失效發生在封裝側（cè）。多半可能是由於阻焊膜定位問題和釺料球偏離（lí）有關。

4.焊膏印刷量偏少
0.5mm間距VFBGA封裝的組件失效率高於0.8mm SCSP封裝（zhuāng）的組件。可能的原因是（shì）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，使得釺（qiān）料自對位的時間和力度有限。
ENIG Ni/Au板上的失效，是（shì）焊（hàn）點與板麵（miàn）之（zhī）間產生整齊的分離。不過在250℃峰值再流的ENIG Ni/Au板（bǎn）上（shàng）完全無鉛（qiān）的焊點，以及（jí）Sn37Pb釺料球的BGA用SAC焊膏焊接（jiē）的焊點，早期失效率卻很低（dī）。

六、結論

此項研究考察了（le）常規SMT組裝成品率。
（1）0.5mm間距的VFBGA和（hé）0.8mm間（jiān）距的SCSP的無鉛封裝（zhuāng），在Intel推薦（jiàn）的再流曲（qǔ）線用Sn37Pb焊（hàn）膏（gāo）組裝，OSP板麵和ENIG Ni/Au板麵的成品率都在（zài）99.2%以上。
（2）研究數據（jù）表明OSP板上SAC釺料球用Sn37Pb焊膏在特定（dìng）工藝（yì）條件下可以滿足板（bǎn）級可靠性目標。這些條件歸（guī）納為一點，即BGA的SAC釺料球要（yào）與Sn37Pb焊膏完（wán）全熔合。這裏的目標定義（yì）為：溫度循環800次靜態失效率小於5%時，平均失效等於或好於Sn37Pb對照組。

（3）ENIG Ni/Au和其他板麵上的“黑焊盤”缺陷影響了實驗數據。當板子（zǐ）本身存在缺陷（xiàn）時，SAC釺料球BGA和SnPb焊膏組件在（zài）機械衝擊負載下的失（shī）效（xiào）風險（xiǎn）很高。

文章出自：可靠性雜壇