一、試驗(yàn)樣品

某公司組織的試驗(yàn)中使用了以下兩個(gè)高密度組裝測(cè)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(yàn)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封裝。SCSP封裝如圖2所示，是一個(gè)塑模BGA封裝，可以裝入兩個(gè)或更多的CSP芯片。這種堆疊式封裝的總封裝高度是1.4mm，間距0.8mm，植球之前量得的錫球直徑為0.4mm。

這項(xiàng)評(píng)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(xiàng)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(gè)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(wú)過孔表面安裝焊盤。封裝側(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）

實(shí)驗(yàn)板通過表面安裝技術(shù)將封裝連接在基板上。所有組裝好的板子都在X-射線檢測(cè)設(shè)備上進(jìn)行開路和短路測(cè)試。在板子發(fā)回Intel之前，對(duì)每個(gè)元件進(jìn)行了電氣連通測(cè)試，對(duì)失效元件作了記號(hào)。表1所示是為VFBGA和SCSP元件建立的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣（僅列出向后兼容類型）。

表1 實(shí)驗(yàn)DOE

注：BWC表示逆向兼容性（釬料球?yàn)镾AC的BGA，用SnPb焊膏連接的封裝）；
FWC表示正向兼容性（釬料球?yàn)镾nPb的BGA，用SAC焊膏連接的封裝）；
鉛對(duì)照表示封裝是SnPb釬料球的BGA，用SnPb焊膏連接。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣中，之所以選擇如表所列的測(cè)試基準(zhǔn)，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(diǎn)合金組分：
●BGA釬料球是無(wú)鉛釬料（SAC405），焊膏中合金成分為SnPb；
●對(duì)照組采用OSP芯片封裝側(cè)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(gè)預(yù)定值，然后在這個(gè)溫度下保持一段時(shí)間，以蒸發(fā)掉焊膏中的揮發(fā)性成分，同時(shí)使板上的橫向溫度達(dá)到均衡。均溫段之后，溫度繼續(xù)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(dāng)要求再流爐提供較高的產(chǎn)能時(shí)采用這種曲線。
（4）峰值溫度：實(shí)驗(yàn)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(shí)芯片SAC釬料球（熔點(diǎn)為217℃）不會(huì)完全熔化或坍塌。
●峰值溫度為（222+4）℃，再流時(shí)芯片SAC釬料球會(huì)熔化或坍塌。
（5）液相時(shí)間（TAL）：設(shè)計(jì)了兩個(gè)不同的TAL（183℃以上）值。
●較短的TAL是60～90s，有利于提高再流爐產(chǎn)能，但由于熔化時(shí)間短，可能不利于釬料成分達(dá)到完全均質(zhì)。
●較長(zhǎng)的TAL是90～120s，能提供充足的時(shí)間，使釬料球內(nèi)的釬料成分達(dá)到完全均質(zhì)，以避免產(chǎn)生元素偏析。

三、試驗(yàn)項(xiàng)目

1 跌落試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)條件。落體試驗(yàn)對(duì)象是板級(jí)，而非系統(tǒng)級(jí)，試驗(yàn)采用0.43kg的金屬載體，從1.5m的高度落到橡膠平臺(tái)上，PCB只在4個(gè)角上用螺釘進(jìn)行固定。測(cè)試時(shí)落體采用板面朝下這一嚴(yán)格的情況進(jìn)行。試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到50次以上，直到失效。落體測(cè)試裝置如圖3所示。為了得出每種工藝條件下的平均失效時(shí)間，對(duì)測(cè)試結(jié)果作了統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算。

（2）試驗(yàn)結(jié)論。SCSP和VFBGA封裝的落體失效統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，對(duì)所有項(xiàng)目的平均落體失效都與對(duì)照組（SnPb釬料球的BGA用SnPb焊膏連接在OSP板上）進(jìn)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(duì)照組高，而在ENIG Ni/Au板上的焊點(diǎn)則要比對(duì)照組低得多。
●VFBGA封裝情況下，所有ENIG Ni/Au板上的焊點(diǎn)（SAC釬料球用SnPb焊膏焊接）都比對(duì)照組稍差，僅有一項(xiàng)差一點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)，此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(shù)OSP板上的VFBGA組件都比對(duì)照組好，但有一項(xiàng)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、較低的峰值溫度和較短的液相時(shí)間（30～60s）將導(dǎo)致所評(píng)估的兩種封裝的焊點(diǎn)不可接受。圖4展示的是一個(gè)缺陷焊點(diǎn)的剖面。涂上去的焊膏已經(jīng)再流，但沒有熔合形成一個(gè)連續(xù)的焊接點(diǎn)。

2 溫度循環(huán)試驗(yàn)
溫度循環(huán)試驗(yàn)仿效產(chǎn)品在實(shí)際使用過程中，作用于封裝和互連的熱機(jī)械應(yīng)力進(jìn)行。溫度循環(huán)采用-40～125℃，30min為一個(gè)周期，高低溫轉(zhuǎn)換時(shí)間不到2min。每隔250個(gè)周期檢測(cè)一次溫度，記錄室溫和低溫讀數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出的失效數(shù)據(jù)作出威布爾分布。測(cè)試持續(xù)時(shí)間為典型的1500～2 000個(gè)周期。測(cè)試目標(biāo)是在800個(gè)周期內(nèi)，威布爾分布置信度95%的前提下，失效率小于5%。

圖5顯示了威布爾分布圖（95%置信度）在800個(gè)周期時(shí)的總失效率。
SCSP和VFBGA封裝對(duì)照組的失效率都沒有達(dá)到800周期小于5%的目標(biāo)。而SCSP封裝的SAC釬料球用SnPb焊膏在OSP板上的焊點(diǎn)，在DOE中所有工藝條件下都達(dá)到了目標(biāo)。VFBGA組件也僅有一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)離目標(biāo)稍差一點(diǎn)，那個(gè)焊點(diǎn)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(diǎn)隨工藝條件的變化沒有顯示確定的趨勢(shì)。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所示的釬料與板面之間產(chǎn)生徹底的界面分離。這種失效產(chǎn)生在Ni-Sn化合層與Ni鍍層之間。

（2）圖7所示的這個(gè)失效位于焊點(diǎn)封裝側(cè)靠近金屬化合物界面的地方，裂縫始于釬料，并向金屬化合物界面延伸，或止于釬料但非常靠近金屬化合物界面。

（3）過孔裂縫發(fā)生在早期失效單元中。早期失效的過孔裂縫由于鍍覆不均勻所致。裂縫起于過孔底部，這里的鍍覆較薄。圖8顯示了一個(gè)過孔裂縫的例子。

五、失效機(jī)理

1.黑色焊盤

根據(jù)跌落試驗(yàn)早期失效結(jié)果分析，說明這些失效或者是由于過孔裂縫，或者是由于釬料與PCB之間徹底的界面分離所致。進(jìn)一步考察釬料與PCB之間整齊的界面分離情況，后發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生這種失效模式的單元都是ENIG Ni/Au板。這種早期失效在跌落試驗(yàn)中表現(xiàn)得比在溫度循環(huán)試驗(yàn)中更突出。這種失效被確定為所謂的“黑焊盤”缺陷。在裂縫界面檢測(cè)到磷含量較高，裂縫呈渣化，如圖9所示。

2釬料球釬料未完全熔合

在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，大多數(shù)早期失效發(fā)生在峰值溫度為208℃，183℃以上持續(xù)時(shí)間為60～90s，斜坡式曲線的工藝條件下。這類失效在 ENIG Ni/Au板上表現(xiàn)得更突出。斷面分析表明，焊點(diǎn)在BGA的SAC釬料球（SAC405）與Sn37Pb釬料之間沒有完全熔合，如圖10所示。

3.阻焊膜錯(cuò)位
在連接界面，Sn37Pb釬料內(nèi)的Pb產(chǎn)生晶界擴(kuò)散。在表面處理采用OSP的情況下，對(duì)于溫度循環(huán)試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)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(gè)0.5mm間距的VFBGA封裝經(jīng)過8次跌落試驗(yàn)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(shí)間是60～90s，采用斜坡式曲線，板面涂層為OSP。失效位于PCB側(cè)的Cu-Sn合金層。在焊盤和釬料兩側(cè)，都檢測(cè)到了Cu6Sn5。

在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，早期失效發(fā)生在封裝側(cè)。多半可能是由于阻焊膜定位問題和釬料球偏離有關(guān)。

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(duì)位的時(shí)間和力度有限。
ENIG Ni/Au板上的失效，是焊點(diǎn)與板面之間產(chǎn)生整齊的分離。不過在250℃峰值再流的ENIG Ni/Au板上完全無(wú)鉛的焊點(diǎn)，以及Sn37Pb釬料球的BGA用SAC焊膏焊接的焊點(diǎn)，早期失效率卻很低。

六、結(jié)論

此項(xiàng)研究考察了常規(guī)SMT組裝成品率。
（1）0.5mm間距的VFBGA和0.8mm間距的SCSP的無(wú)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(shù)據(jù)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(jí)可靠性目標(biāo)。這些條件歸納為一點(diǎn)，即BGA的SAC釬料球要與Sn37Pb焊膏完全熔合。這里的目標(biāo)定義為：溫度循環(huán)800次靜態(tài)失效率小于5%時(shí)，平均失效等于或好于Sn37Pb對(duì)照組。

（3）ENIG Ni/Au和其他板面上的“黑焊盤”缺陷影響了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)板子本身存在缺陷時(shí)，SAC釬料球BGA和SnPb焊膏組件在機(jī)械沖擊負(fù)載下的失效風(fēng)險(xiǎn)很高。

文章出自：可靠性雜壇