一、試驗樣品

某公司組織的試驗中（zhōng）使用了以下（xià）兩個高（gāo）密度組裝測試板。
（1）VFBGA封裝（zhuāng）。VFBGA封裝如圖（tú）1所示。矽芯片（piàn）通過綁定連（lián）接到（dào）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（qiú）直（zhí）徑是0.3mm。

（2）SCSP封裝。SCSP封裝如圖2所示，是一（yī）個塑模BGA封裝，可以裝入兩個或（huò）更多的CSP芯片。這種堆疊式封裝的總（zǒng）封裝高度是1.4mm，間距0.8mm，植球之前量得（dé）的錫球直徑為（wéi）0.4mm。

這項評估使用的PCB板材是6層（céng）（1+4+1，中間4層，表麵2層）FR4，在樹脂覆（fù）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（bǎn）上有（yǒu）10個元件單元。1～5單（dān）元的印製板表麵安裝焊盤100%的都帶（dài）過孔（kǒng），6～10單元是無過孔表（biǎo）麵安裝焊盤。封裝側的（de）焊盤覆有電解鎳和沉金，焊盤之間用阻焊膜圖形隔開。

二（èr）、組裝工（gōng）藝（yì）和實驗設計（DOE）

實驗板通過表麵安裝技術將封（fēng）裝連接在基板（bǎn）上。所有（yǒu）組裝（zhuāng）好的板子都在（zài）X-射（shè）線檢測設備上進行開路和短路測試。在板（bǎn）子發回（huí）Intel之前，對每個元件進行了電氣連通測試，對失效元（yuán）件作了記號。表1所示是為VFBGA和SCSP元件建立的實驗設計矩（jǔ）陣（僅列出向後兼（jiān）容類型）。

表1 實驗（yàn）DOE

注（zhù）：BWC表示（shì）逆向兼容性（釺料球為SAC的BGA，用（yòng）SnPb焊膏連接的封（fēng）裝）；
FWC表（biǎo）示（shì）正向兼容性（釺料球為SnPb的BGA，用SAC焊膏連接的封裝）；
鉛對照表示封裝是SnPb釺（qiān）料球的BGA，用SnPb焊（hàn）膏連接。
在這個實驗設計矩陣（zhèn）中，之所以選擇如表所列的測試基（jī）準，其原（yuán）因敘述（shù）如下。
（1）板麵處理：研究中考（kǎo）察（chá）了兩種表麵處理：
●ENIG Ni/Au；
●Entec®Plus OSP。
（2）焊點合金（jīn）組分：
●BGA釺料球是無鉛釺（qiān）料（SAC405），焊膏中合金成分為SnPb；
●對照組采用（yòng）OSP芯（xīn）片封裝（zhuāng）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（bǎo）溫型曲線：起始階段溫度升到一（yī）個預（yù）定值，然後在這個溫度下保持一段時間，以蒸發掉焊膏中的揮發（fā）性成分，同時使板上的橫向（xiàng）溫度（dù）達到均衡（héng）。均溫段之（zhī）後，溫度繼續上升到釺料熔化段。用於典型的錫-鉛板組裝。
●斜坡式曲線（xiàn）：完全沒（méi）有（yǒu）上述的均溫段。當要求再流爐提供較（jiào）高的產（chǎn）能時采用這（zhè）種曲線（xiàn）。
（4）峰（fēng）值溫（wēn）度：實驗中分別采用了兩個（gè）不同的峰值溫度。
●峰值溫度為208℃，再流時芯片（piàn）SAC釺料球（熔點為217℃）不會完全熔化或坍塌（tā）。
●峰值溫度為（222+4）℃，再（zài）流時芯片SAC釺（qiān）料球（qiú）會熔（róng）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（yǒu）利於提高再流爐產能，但由於熔化時間短，可能不利於釺料成分達到（dào）完全均質。
●較長的TAL是（shì）90～120s，能提供充足的時間，使釺料球（qiú）內的釺料成分達到完全均質，以避免產生元素偏析。

三、試驗（yàn）項目

1 跌落試驗

（1）試驗條件。落體試驗對象是板級（jí），而非（fēi）係統級，試驗采用0.43kg的金屬載體，從1.5m的高度落到（dào）橡膠平台上，PCB隻在4個角上用螺（luó）釘進行固定。測試時（shí）落體采用板麵朝下這一（yī）嚴格的情況進行。試驗次數達到50次以（yǐ）上，直到失（shī）效。落體測試（shì）裝置如圖3所示。為了（le）得出每種工藝條件下的平均失效時間，對測試結果作了統計（jì）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釺料球的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（de）組件（jiàn）的平均落體失效率都比對照組高，而（ér）在ENIG Ni/Au板上的焊點則要比對照組低得多。
●VFBGA封裝情況下（xià），所有ENIG Ni/Au板上的焊（hàn）點（SAC釺料球用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（yì）條件是208℃峰值（zhí）溫度，TAL為60～90s的（de）均溫式曲線。其他多數（shù）OSP板上的VFBGA組件都比對照組好，但有（yǒu）一（yī）項稍差，工藝（yì）條件是208℃峰值溫度，TAL為60～90s的（de）斜坡式曲線。

●斜坡式曲（qǔ）線、較低（dī）的峰（fēng）值溫（wēn）度和（hé）較短的液相時間（30～60s）將導致所評估的兩種封裝的焊（hàn）點不可（kě）接受。圖4展示的是一個缺陷焊點的（de）剖麵。塗上去（qù）的焊膏已經再流，但沒有熔合形成（chéng）一個連（lián）續的焊接點。

2 溫度循環試（shì）驗
溫度循環試驗仿效產品在實際使用過（guò）程中（zhōng），作（zuò）用於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（gé）250個周期檢測一次溫度，記錄室溫和低（dī）溫讀數。

根據試驗結果得出的失效數據作出威布爾分布。測試持（chí）續時間為典型的1500～2 000個周期。測（cè）試目標是在800個周期內（nèi），威布爾分布置信度95%的前提下，失效率小於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。
SCSP和VFBGA封裝對照組的失效率都沒有達到（dào）800周期小於5%的目標。而SCSP封裝的SAC釺料球用SnPb焊膏（gāo）在OSP板上的（de）焊點，在DOE中所有工藝條件下都達（dá）到了目標。VFBGA組（zǔ）件也僅有一項實驗離目標稍（shāo）差一點，那個焊點是在208℃峰值溫（wēn）度，TAL為60～90s的斜（xié）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（shì）確定（dìng）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（pō）式曲線下。

四、失效模式

主要存在以下3種失效模式：

（1）圖6所示的釺（qiān）料（liào）與板麵之間產生徹底（dǐ）的界麵（miàn）分離。這種失效產生在Ni-Sn化合層與Ni鍍層之間。

（2）圖7所示的這個（gè）失效（xiào）位（wèi）於焊點封裝側（cè）靠近金屬化合物界麵的（de）地（dì）方，裂縫始於釺料，並向金屬（shǔ）化合物界麵延伸，或止於釺料但非常靠近金屬化合物界麵。

（3）過孔裂縫發（fā）生在早期失效單元（yuán）中。早期失效的過孔裂縫由於鍍覆不均勻（yún）所致。裂縫起於過孔底部，這裏（lǐ）的鍍覆較薄。圖8顯示了一個（gè）過孔裂縫的例子。

五（wǔ）、失效機理

1.黑色焊盤

根據（jù）跌落試驗早（zǎo）期失效結（jié）果（guǒ）分（fèn）析，說明這些失效或者是由（yóu）於過孔裂縫，或者是由於釺料與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（qí）的界麵分離情況，後（hòu）發現，產（chǎn）生這種失（shī）效模（mó）式的單（dān）元都是ENIG Ni/Au板。這種早期失（shī）效在跌落試驗中（zhōng）表現得比在溫度循環試驗（yàn）中更突出。這種失效被確定為所謂的“黑焊盤”缺陷。在裂縫界麵檢測到磷含量較高（gāo），裂縫（féng）呈渣化，如圖9所示。

2釺料球（qiú）釺料未完全熔合

在溫度循環試驗中，大多數早（zǎo）期（qī）失效發生在峰值溫度為208℃，183℃以上持續時間為60～90s，斜坡（pō）式曲線（xiàn）的（de）工藝條件下。這類失效在 ENIG Ni/Au板上表現得更突出。斷（duàn）麵分析表明，焊點在BGA的SAC釺料（liào）球（SAC405）與Sn37Pb釺料之間沒有完全熔合（hé），如圖10所示。

3.阻焊膜錯位（wèi）
在連接界麵，Sn37Pb釺料內的Pb產生晶界擴散。在表（biǎo）麵處理（lǐ）采用OSP的情（qíng）況（kuàng）下，對於溫度循環試驗和跌落試驗觀察到的（de）早期失（shī）效，Pb的偏析似乎不是主要原因。圖11所示（shì）是一個0.5mm間距的VFBGA封裝經過8次（cì）跌落試驗後得出的失效斷麵圖。BGA釺料球組分是SAC，用（yòng）Sn37Pb焊膏連接，峰（fēng）值溫度為208℃，183℃以上的滯留時間是60～90s，采用斜（xié）坡式曲線，板麵（miàn）塗層為OSP。失效位於PCB側的Cu-Sn合金層。在焊（hàn）盤和釺料（liào）兩側，都檢測到了（le）Cu6Sn5。

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

4.焊膏印（yìn）刷量偏少
0.5mm間距VFBGA封裝的組件失效率高於0.8mm SCSP封（fēng）裝的組件。可能的（de）原因是（shì）VFBGA組件的焊膏印刷量較少（4mil厚的模（mó）板），以及快速而低溫（wēn）的再流曲（qǔ）線，使得釺（qiān）料自對（duì）位（wèi）的時間和力度有限。
ENIG Ni/Au板上的失效，是焊點與（yǔ）板麵之（zhī）間產生整齊（qí）的分離。不過（guò）在250℃峰值再流的ENIG Ni/Au板上完全無鉛的焊點，以及Sn37Pb釺料球的BGA用SAC焊膏焊接的焊點，早期失效率（lǜ）卻很低。

六（liù）、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（yòng）Sn37Pb焊膏組裝，OSP板麵和ENIG Ni/Au板麵的成品率都在99.2%以（yǐ）上。
（2）研究數據表明OSP板上SAC釺料球用Sn37Pb焊膏在特定工藝條件下可以（yǐ）滿足板級可靠性目標。這些條件（jiàn）歸納為一點，即BGA的SAC釺料球要與Sn37Pb焊膏完全熔合。這裏的目標定義為：溫度循環800次靜態失效率小於5%時，平均失效等（děng）於或好於Sn37Pb對照組。

（3）ENIG Ni/Au和其他（tā）板麵上的“黑焊（hàn）盤”缺陷影響了實驗數據。當（dāng）板子本身（shēn）存在缺陷時，SAC釺料球BGA和SnPb焊膏組（zǔ）件在機械（xiè）衝（chōng）擊負載下的失效風險很（hěn）高。

文章出自：可靠性雜壇