無鉛BGA焊點的疲勞壽命評估技術(shù)研究

1、無鉛BGA焊點的疲勞壽命評估技術(shù)研究在熱循環(huán)過程中，焊點受到芯片端和PCB端各組件及本身熱膨脹不 匹配效應的影響，局部位置會產(chǎn)生大的應力應變，過度疲勞后會有裂紋 產(chǎn)生并且擴展直至斷裂，引起焊點失效。利用有限元分析工具對焊點進 行建模仿真，得出應力應變的分布狀態(tài)、時間歷程及遲滯回線，可以理 解焊點的熱循環(huán)疲勞過程，根據(jù)相關(guān)的疲勞壽命預測準則，可以對焊點 的壽命進行評價，從而指導焊點的可靠性設(shè)計。這種方法是現(xiàn)代微電子 封裝領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)常使用的手段，它可以在工藝制作完成前對焊點的疲勞壽 命作出前瞻性地預測。本文針對無鉛焊料Sn35Ag的BGA焊點進行了 有限元模擬仿真的研究，主要內(nèi)容及成果如下：1利用有

2、限元分析工具ANSYS建立了PBGA封裝的14組件模型，并 采用統(tǒng)一的粘塑性Anand本構(gòu)方程來描述焊點的力學行為，之后對模型施加一定約束條件并加載溫度循環(huán)載荷經(jīng)ANSYS求解器計算，提取其計算結(jié)果來研究焊點的疲勞性能；考慮到熱循環(huán)過程中焊點所受的復雜應力情況，依照第四強度理論，提取von Mises應力應變作為研究對象，同時將第三強度理論要求的最大剪切應力應變也作為研究對象來與第四強度理論的分析結(jié)果進行對比。2研究顯示：隨著溫度循環(huán)載·荷的施加，焊點陣列會產(chǎn)生不均勻的應力應變分布，局部位置會產(chǎn)生應力集中和大的塑性應變，考慮此兩方面的因素，得知陣列的內(nèi)側(cè)焊點為疲勞失效最易首先發(fā)生的所

3、在；進一步分析了這些疲勞失效點處的應力和應變的時間歷程和相應的遲滯回線，從分析中得知隨循環(huán)時間的增加，應力變化比較平穩(wěn)，但在高溫保持段的兩側(cè)出現(xiàn)了大的瞬間波動；而塑性應變有明顯增大的趨勢，從遲滯回線的分析中得知隨著循環(huán)次數(shù)的增加，回線會逐漸趨于平穩(wěn)，這是疲勞失效的顯著特征。性應變的點從空洞所在的焊點處轉(zhuǎn)移到了別的與此焊點受力完全不同的焊點上，這體現(xiàn)了存在空洞的焊點表現(xiàn)出的與完整無空洞的焊點在 力學性能上的區(qū)別；最后，通過對帶空洞的焊點進行壽命評估，得出不論空洞存在于焊點中的哪個部位，都會使整個組件的壽命下降。11選題背景及意義隨著集成電路。(IC：Integrated Circuit)產(chǎn)業(yè)的高

4、速發(fā)展，逐漸形成了設(shè)計、制造、封裝測試三大分工鏈。據(jù)調(diào)查，2006年底我國國內(nèi)有近 50家晶圓制造廠，112家封裝測試裝配廠和45 0家IC設(shè)計公司；國內(nèi)半導 體產(chǎn)值807億元人民幣，其中封裝測試3 50億元，晶圓制造242億元，IC設(shè)1 計2 5億元。由此可見，封裝測試產(chǎn)業(yè)在我國半導體產(chǎn)業(yè)中占據(jù)相當重要 的地位。由于半導體產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，現(xiàn)階段IC芯片的設(shè)計與制造越來越復 雜與精巧，這要求封裝技術(shù)必須同步提升，才能維持我國在半導體封裝 測試產(chǎn)業(yè)的全球競爭力。近年來，半導體芯片超深亞微米技術(shù)的突破和 單片集成度的迅速增加，促使微電子封裝技術(shù)不斷向體積小、重量輕、 厚度薄、信號傳輸速度快、可靠性

5、要求高的方向發(fā)展。另一方面，隨 著人們對含鉛材料毒性的不斷認知，無鉛材料的開發(fā)和應用也進入了快 速發(fā)展的時期，但總的來講，對于無鉛材料在電子封裝領(lǐng)域里的失效行為、機理等問題人們還沒有一個統(tǒng)一的認知Single In-line Package)、雙邊引腳(DIP：Dual In-line Package)、四邊引 腳(QFP：Quad Flat Package)、底部引腳(PBGA：PinBall GateArray， CSP：一種引腳間距更小的BGA)。電子器件工程聯(lián)合會(JEDEC：Joint Electron Device Engineering Council)的工業(yè)部門制定了BGA封裝

6、的物理標準，已注冊的引線間距有 10mm、127mm和15mm，而且目前正在推薦由127mm和15mm間距 的BGA取代O405mm的精細間距器件。BGA封裝形式有多種類型：塑料球柵陣列(PBGA：Plastic Ball Grid Array)、陶瓷球柵陣列(CBGA：Ceramic Ball Grid Array)、芯片規(guī)模封 裝(CSP：Chip Scale Packaging)、陶瓷柱柵陣列(CCGA：Ceramic Column Grid Array)、載帶自綁定球柵陣列(TBGA：Tape Automated Bonded Ball Grid Array)、微型球柵陣列(1a BG

7、A：Micro Ball Grid Array)、迷你球柵 陣列(mini BGA：Mini Ball Grid Array)等。本課題選用在民用領(lǐng)域應 用廣泛的PBGA作為研究對象，這種封裝型式是從摩托羅拉(Motorola) 的過模焊盤陣列載體(OMPAC：Over Molded Pad Array Carrier)演變而 來的104。PBGA對于引腳數(shù)目在250600、功耗少于5W的ASIC(有時 也包括微處理器)是成本效益型封裝105。但PBGA封裝對濕氣比較敏感， 吸潮后易產(chǎn)生“爆米花"現(xiàn)象，導致PBGA失效，另外其返修也比較困 難。12焊點無鉛化美，IBM、Motoral

8、a等也在1 994年開始了研究無鉛焊料 oM；l 997年NORTEL網(wǎng)絡(luò)公司制造了世界上第一臺無鉛電路電話；國家 制造科學中心(NCMS)曾針對眾多的無鉛焊料進行研究并且選擇7種 合金代替sn-Pb臺金，它們是：sn一3 5Ag、Sn一58Bi、Sn一3Ag一2Bi、Sn一2 6Ag-0 8Cu一0 5Sb、Sn·3 4Ag-4 8Bi、Sn-2 8Ag-20In和 Sn35Ag一0 5Cu1ZnI”從電子信息產(chǎn)品的環(huán)保、再利用、安全使用期限、有 害材料的限用和生產(chǎn)者的責任等方面給出了規(guī)定。就目前而言，對于無鉛焊料的研究，各國的重點、測試標準和測試 數(shù)據(jù)并不統(tǒng)一，就是對于國際上所看

9、好的SnAgCu合金，也沒有產(chǎn)品的 長期可靠性測試數(shù)據(jù)。應該注意的是大多數(shù)無鉛焊料含Sn量都在90以 上。大多數(shù)商業(yè)用途的無鉛焊料熔點范圍為208227，此溫度比傳 統(tǒng)的共晶Sn-Pb 1 8 3的熔點高出了30多度，這意味著在回流焊工藝中 金屬間化合物會快速的生長，這些化合物的晶粒大小和性能對工業(yè)界在 含鉛焊料中已經(jīng)建立的熔點層次提出了挑戰(zhàn)¨”。本課題使用Sn一35Ag無 鉛焊料，其熔點為22 1，有良好的潤濕性。在共晶的Sn-35Ag合金里， Ag以Ag。Sn金屬化合物的方式遍布在整個焊體內(nèi)，由于這種金屬化合物 的熱穩(wěn)定性強，所以在老化過程中晶粒不易粗化。據(jù)報道¨“，S

10、n一35Ag 跟30多種普通的軟焊料作對比，其有更好的疲勞壽命。1131焊點的疲勞失效機理物體內(nèi)同一點的溫度發(fā)生變化，就會產(chǎn)生熱變形。如果熱變形是自 由的，那么不會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生熱應力；如果熱變形受到約束，即使沒有 外力的作用，結(jié)構(gòu)內(nèi)也會產(chǎn)生熱應力。焊點失效的主要原因就是由溫度 載荷變化所造成的熱應力引起。對于大多數(shù)無鉛焊點材料而言，其典型 的熔點溫度為208227，而焊點正常工作時所承受的溫度通常為此 熔點溫度的0509倍左右，在這種條件下蠕變變形就非常明顯t 09 J。廣 義的蠕變，是指對固體施加外力時其變形隨時間增加的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象 的特征和重要性在于變形不僅僅與外力相關(guān)，而且加上了時間的

11、因素。 蠕變的本質(zhì)是位錯隨時間的復雜運動。 焊點失效是一種蠕變與疲勞損傷的復合累積傷。宏觀上表現(xiàn)為，熱 疲勞損傷導致在遠離焊點中心的焊料與基板過渡區(qū)(即高應力區(qū))產(chǎn)生 初始裂紋，然后逐漸沿焊料與基板界面擴展至整個焊點長度；微觀上表現(xiàn)為熱疲勞斷口表面有疲勞條紋的特征、晶界微空洞和蠕變沿晶界斷裂 的痕跡。焊點的疲勞失效與焊料的性質(zhì)以及顯微組織演變、金屬化層材 料及厚度、循環(huán)溫度范圍、加速速率、頻率、最高溫度保持時間等都有 密切關(guān)系¨引。1132影響B(tài)GA焊點可靠性的因素焊點作為球柵陣列封裝(BGA)的重要組成部分，對封裝體功能實 現(xiàn)的成功與否起著相對決定的意義，它和別的封裝形式的引腳起著

12、類似 的作用：傳遞電路信號、提供散熱途徑、結(jié)構(gòu)保護與支撐。電子元器件 在封裝及服役條件下，由于功率耗散和環(huán)境溫度的變化，因材料的熱膨 脹失配(thermal expansion mismatch)在焊點內(nèi)產(chǎn)生交變的應力應變，會 導致焊點的熱疲勞失效。針對BGA焊點而言，它受到上下基板和焊盤間 的熱膨脹影響；在熱循環(huán)過程中，焊點的顯微組織會發(fā)生晶粒長大、組 織粗化、金屬間化合物的生成和長大，產(chǎn)生高的應力應變，進而產(chǎn)生裂 紋。經(jīng)過大量的學者研究證明，這種熱疲勞失效也是SMT焊點失效的主 要原因，所以焊點質(zhì)量的好壞程度是影響B(tài)GA焊點可靠性的重要因素， 這種質(zhì)量方面的考慮因素包括：焊點的材料選用、焊

13、點的幾何形態(tài)、焊 點的服役條件、焊點的內(nèi)部缺陷等。另外，BGA封裝形式?jīng)Q定了其焊點 質(zhì)量的檢測比較困難，不宜進行局部焊點的返修，焊點熱膨脹因素的影 響更加突出。1133利用有限元方法對BGA焊點進行疲勞分析對于可靠性的預測與評估，要追溯到1 95 6年1 1月RCA(Radio Company of America)公司發(fā)布的TR11 00標準，該標準介紹了元器件失 效的計算值模型。此后，美國軍方根據(jù)其第二次世界大戰(zhàn)中在電子產(chǎn)品 供應方面出現(xiàn)的各個生產(chǎn)商標準不同的問題也發(fā)布了MILHDBK2 1 7可 靠性預測手冊。MILHDBK21 7規(guī)定，不論其使用環(huán)境、應用場合、所 用材料、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、器

14、件功耗、制造工藝或制造商，所有的單片集成電路的失效率都是每百萬小時O4個失效。但是隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展， 這個標準及其衍生標準逐漸不能有效預測電子產(chǎn)品的可靠性了。例如利用MILHDBK2 7對64K隨機存儲器RAM計算出的平均故障間隙時間 (MTBF：MeanTime Between Failure)是1 3秒，此結(jié)果超過了器件實際 的MTBF幾個數(shù)量級rio。隨后，一種替代方法一一失效物理分析(Physical of Failure)在日本、臺灣、新加坡、馬來西亞、英國國防部和許多美國 領(lǐng)先的商業(yè)電子公司等得到了應用，這種方法使用基于失效機理、失效 模式和失效應力根本原因的分析的可靠性評估

15、技術(shù)，它已經(jīng)被證明對預 防、檢測和校正與產(chǎn)品設(shè)計、制造、運行相關(guān)的失效是非常有效的。通 過了解可能發(fā)生的失效機理，我們可以發(fā)現(xiàn)新型或現(xiàn)有技術(shù)中潛在的問 題，并在發(fā)生問題之前解決它們。而這其中的失效機理是由基本的機械、 電子、熱和化學過程所決定的，它的分析過程為：了解客戶需求和供應 商能力一明確產(chǎn)品使用環(huán)境和工作條件(通過測量手段或客戶指定)的應力、應變進行實時檢測，并且測試耗 費時間長，檢驗設(shè)備價格昂貴。理論方法(如有限元分析方法)可以對 復雜加載條件下焊點中的應力、應變分布及其時間歷程進行詳盡的描述， 是評價焊點可靠性的重要途徑¨"。從二十世紀六十年代開始，有限元方 法便

16、被應用在了各種工業(yè)領(lǐng)域，到了八十年代以后，它被廣泛應用在了 電子工業(yè)中來研究塑料封裝芯片的熱性能和熱機械行為3。有限元的計 算步驟：問題及求解域定義(物理性質(zhì)和幾何區(qū)域)一求解域離散化(有 限元網(wǎng)格劃分)一確定狀態(tài)變量及控制方法一單元推導一總裝求解一聯(lián) 立方程組求解和結(jié)果解釋¨"。12本領(lǐng)域研究綜述對于無鉛BGA焊點的模擬仿真研究，國內(nèi)外從焊點材料的選用、本 構(gòu)方程(constitutive equation)的建立、計算機模型的建立、壽命分析方 法、壽命模型的建立、缺陷研究等方面都進行了相關(guān)的研究。121無鉛材料及本構(gòu)方程的研究 (1)無鉛材料 文獻07討論了共晶SnAg

17、Cu焊點的顯微組織結(jié)構(gòu)和影響其顯微組 織結(jié)構(gòu)的一些因素，包括機械性能、熱疲勞機理和界面反應等，給出了 可以通過改變SnAgCu合金的元素配比來提高無鉛焊點可靠性的解決方 案。減少Ag的含量(<3)可以減少枝狀的A93Sn非平衡相的形成，這 有利于焊點形成中的固化(solidification)，同時有利于焊接材料成本的 降低。Cu含量的多少對于A93Sn的形成影響不大，但較高的含量(>O7 09)會導致大量桿狀的Cu6Sn5的形成，同時增加了固液溫度相線的差， 后者會致使焊點剝離(fillet1ifting)程度的增加。利用數(shù)字圖 像相關(guān)技術(shù)(DIC：Digital Image體

18、組裝工藝完成后，無鉛的焊料成分組成才會穩(wěn)定下來；Sn一35Ag金屬間 化合物的生長速度要比含鉛的焊料快；UBM凸塊的尺寸對于力學性能是 一個關(guān)鍵的因素；隨著回流焊時間的增長，界面特性會變?nèi)?，增加金?層的厚度能夠緩解這種因素。研究了N i微粒加入Sn-35Ag焊 料后，對其性能的影響，結(jié)果顯示這種方法司以提高焊點的剪切性能， 焊點內(nèi)部的金屬間化合物Cu。Ag。會逐漸消失。而表面的金屬間化合物會 由扇狀變得平坦。通過和含鉛焊料的對比研究了Sn一35Ag焊點 在溫度循環(huán)過程中板級的可靠性，結(jié)果表明Sn一35Ag相對于SnPb焊料 有全面的優(yōu)越性。對于焊點材料的無鉛化，國內(nèi)眾多大學和科研機構(gòu)都進行了

19、研究。 張建智、易丹青研究了SnAgCuZn和Sn-Ag-Bi兩種無鉛合金材料，考 察了Zn和Bi含量的變化對兩種材料微觀結(jié)構(gòu)、物理性能和機械性能及 界面行為的影響，最后得出結(jié)論Sn一47Ag17Cu一10Zn和Sn-35Ag-50Bi 無鉛合金的綜合性能優(yōu)良，具有進一步研究和開發(fā)的價值106。對五種不同成分的無鉛焊料合金(Sn07Cu、Sn35Ag、 Sn40Ag05Cu、Sn34Ag48Bi、Sn58Bi)詳細研究了其在不同溫度和 不同應力水平下的拉伸性能，并和Sn3 7Pb合金的性能進行了對比，得 出結(jié)論：從力學性能上來比較，合金Sn35Ag和Sn40Ag一05Cu兩種合 金顯示出更好的

20、蠕變性能和疲勞性能，是替代Sn3 7Pb不錯的無鉛焊接 材料；Sn34Ag48Bi的疲勞性能非常差；只有Sn07Cu的抗拉強度低 于Sn37PbtI 81。芯片疊層球柵陣列尺寸封裝的14三維模型，對比了含鉛Sn36Pb2Ag 和無鉛Sn38Ag05 Cu的焊點壽命，得出了無鉛焊料抵抗熱疲勞載荷的 能力要大于含鉛焊料。建立了PBGA器件的18模型，并對模型 做了相應地簡化處理，忽略金線、粘結(jié)層、基板中的銅導線等，焊點采 用Anand本構(gòu)模型，經(jīng)過有限元分析計算，得出了產(chǎn)生較大位移的焊點 位于基板邊緣，這些位置的焊點承受著很大的剪切力，最容易發(fā)生失效； 同時發(fā)現(xiàn)最大應力和塑性應變位置位于18對角方

21、向上芯片下方的第二 個焊點，最大應力和塑性應變位于此焊點的左上角；并且考慮的有限元 網(wǎng)格的疏密對疲勞壽命預測的影響，得出單元數(shù)與塑性應變、應變能密 度的關(guān)系，指出當單元數(shù)目達到53 76個以上時，塑性應變和應變能密度 變化就會很小。IRThermal image紅外熱相分析、3D side view，其中較為理想和迅速的 手段是使用XRay焊點檢查設(shè)備。另一方面，可以利用有限元方法對各種焊點缺陷對壽命的影響進行 分析。山東大學材料科學與工程學院的楊敏博士在2003年發(fā)表論文， 對空洞在焊點中不同位置的情況建立二維有限元分析模型，利用數(shù)值分 析方法進行了研究，分析發(fā)現(xiàn)：與無缺陷焊點相比，空洞使焊

22、點中應力 應變分布發(fā)生了變化，使焊點疲勞壽命縮短；焊角、焊趾和焊點中部位 置的空洞對焊點中的應力應變和焊點的疲勞壽命影響較小，而焊點根部 空洞的影響則顯著，SnPb焊點中不同位置和大小的空洞，做了有限元模擬分析，并計算了相應的疲勞壽命；結(jié)果顯示 當空洞位于焊點與基板連接的邊角處和焊點外側(cè)時，對焊點的壽命影響 最大，并且這些位置的空洞即使尺寸很小，也不能忽略考慮。采用Sn40Ag05Cu焊料作為研究對象，研究其在不同加載條件下的粘 塑性損傷行為，揭示空洞成核和生長變形機理的存在及影響。利用有限元方法研究了在回流焊工藝中飽和的蒸氣壓在封裝界面處產(chǎn)生 的缺陷對可靠性的影響，研究結(jié)果顯示對于便攜式和移

23、動類的電子產(chǎn)品 而言，由于其薄型和使用高熱傳導材料的特點，失效風險相對于厚的和 傳統(tǒng)的材料要高。125其他角度的研究在有限元模擬仿真的研究方法中，除了上述非常重要的四個方面之 外，許多研究人員還從板級材料上包括含鉛和無鉛兩種類型的焊點、不同載荷施加(如考慮振動、扭曲、墜落等因素)等方面進行了研究。研究了含鉛和無鉛混合焊點在實際電子產(chǎn)品應用的可靠 性，并預測了其壽命，結(jié)果顯示無鉛焊點或混合的焊點其可靠性優(yōu)于含 鉛焊點。研究了PBGA封裝組件中無鉛焊點的扭轉(zhuǎn)疲勞行為， 利用有限工具ANSYS分析了扭轉(zhuǎn)應變在板級模型和局部芯片模型中的 分布情況，并且結(jié)合試驗得出了修正CoffinManson方程中的

24、相關(guān)參數(shù)。焊點外的焊盤、基板等采用各向同性的彈性本構(gòu)模型。對于應用統(tǒng)一粘 塑性方程的優(yōu)勢文獻3 3經(jīng)過模擬實驗對比得出結(jié)論：和將彈塑性與蠕 變分別采用兩套獨立的變量相比，統(tǒng)一粘塑性本構(gòu)方程的建立是基于材 料變形的微觀機制，能準確地反映材料變形對應變率的敏感程度，而且 由于采用單一內(nèi)變量來描述塑性變形和蠕變變形，能更好地說明應力與 激活能之間的關(guān)系和焊料的應力松弛效應(鮑辛格效應)，體現(xiàn)出塑性和 蠕變的交互作用。(1)有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分選定與材料性能相對應的有限元分析單元后，利用有限元分析工具 ANSYS來進行焊點建模和網(wǎng)格劃分。BGA焊點模型設(shè)計包括焊點形態(tài)幾 何參數(shù)設(shè)計(文獻32利用

25、SEM來測量實際的焊點截面形態(tài)幾何尺寸， 本課題由于條件所限，焊點形態(tài)參數(shù)采用JEDEC標準)，同時還有焊盤、 芯片基板、PCB基板的幾何參數(shù)設(shè)計。模型建立后，依據(jù)一定的網(wǎng)格劃 分規(guī)則對模型進行網(wǎng)格劃分。(2)有限元計算及結(jié)果分析ANSYS軟件建模并網(wǎng)格劃分后，約束邊界條件并加載溫度循環(huán)載荷 進行求解。求解是個耗時的過程，只有合理的網(wǎng)格劃分才會對求解過程 有益。建立的有限元模型經(jīng)ANSYS迭代分析后，提取應力應變云圖、應 力應變時間歷程，繪制應力應變遲滯環(huán)。通過云圖分析，可以直觀地了 解到焊點陣列中哪些部位易于首先失效；通過時間歷程圖的分析，可以 了解到關(guān)鍵點處應力應變隨溫度循環(huán)載荷的施加的變

26、化趨勢，理解各次 循環(huán)間及一個循環(huán)內(nèi)的各個階段這些力學性能參數(shù)的變化趨勢。(3)疲勞壽命預測通過ANSYS的后處理處理器提取的應力應變遲滯環(huán)，利用疲勞壽命 預測方程來進行相關(guān)計算，得出壽命預測結(jié)果。 (6)焊點空洞對應力分布的影響及壽命評估 針對實際工作中焊點內(nèi)產(chǎn)生的空洞，建立相應的帶空洞的焊點組件電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多 種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力，但同時要考 慮到計算資源和時間兩個相互矛盾的問題；后處理(po Stproc e ss i ng)模 塊可將計算結(jié)果以彩色等值線、梯度、矢量、粒子流跡、透明及半透明 (可以看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部

27、)等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果(如應力、 應變、應變能)以圖表、曲線形式顯示或輸出，以便進行深入地研究。 32建模 321封裝組件的材料性能、參數(shù)和幾何尺寸對于無鉛焊點材料，我們選用商用的Sn35Ag作為研究對象，這種 材料已經(jīng)在世界上許多國家廣泛使用。參考JEDEC MS034D標準，選用 Topline公司(世界上最大的模型元件和PCB生產(chǎn)商)商用的PBGA產(chǎn)品 作為研究對象，這種產(chǎn)品具有256個焊點、20×20陣列和127mm的焊 點間距，見該公司2008 BGA Catalog文件中的究表明，在不影響重要部位有限元 分析的前提下可以省去它們的影響。對于圖32，1)中所示的紅色實線 包圍的部分為整個