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BGA 板级组装的可靠性系列

时间:2014-04-22 14:59:43 来源:鼎华科技 点击: 2914次

 封装翘曲

    在再流焊接过程中,BGA器件封装产生翘曲变形,如图7所示。最严重的是封装低端出现翘曲(凹形)。焊料球引脚和焊膏之间没有发生润湿,焊膏和BGA焊料球各自再流。在某些情况下,这种缺陷可能与相邻拉长变形的焊点(柱状)有关。

 

1. BGA定位在焊膏上。  2.BGA翘曲,焊料球和焊膏熔融,两者无接触。

3.冷却后,焊膏固化,且导致熔融焊料球上出现凹痕。

7 BGA封装翘曲导致的焊点变形

    机械应力

    SMT组装过程,印制板弯曲变形或在线测试产生的机械应力是十分普遍的。BGA的封装尺寸增大,拐角焊点承受的应力越来越明显。在BGA封装底部和周边焊点检测已成为可接受的方法,但探针和真空压力导致的机械应力有时被忽略。由机械应力引起的缺陷对焊点可靠性存在潜在的危害,这一点是很重要的。

    强度最低的界面是容易断裂的界面,这种故障特征可能是不同的。裂缝是在BGA焊料球内或与PCB或是封装的界面间产生的,或是在焊盘与印制板分离。图8所示,因过大的机械应力造成的拐角焊盘抬起分离。

    BGA焊点的牢固性与承受的机械应力与下面因素相关:

    ·BGA位置

    ·PCB厚度

    ·堆栈

    ·焊盘尺寸

    ·刚性机理

    ·焊料量

8焊盘与印制板分离(BGA拐角部位)

    采用较大的拐角焊盘,增大焊盘面积和封装底层填料来提高牢固性,或采用适当的夹具或工具等方法,对于防止焊点破裂在实践中是可行的。

l         再流不充分

    BGA焊料球引脚未获得到足够的热量,使让其再流熔融,如图9所示是再流不充分的结果、焊料球没有达到能与焊盘上焊膏结合的再流温度所造成的缺陷。

9再流不完全的焊点缺陷

 

     影响可靠性的重要因素

     封装技术

     阵列球引脚器件的种类繁多,封装采用了各种不同的材料。大多数商品化的阵列器件使用塑料封装和增强型刚性有机封装基板互连材料。封装与印制板的互连,采用金属化焊垫或球形焊料合金引脚。为了降低封装高度,使用焊垫栅阵列(LGA)封装的IC,球栅阵列(BGA)将小的焊料合金球用于互连系统。在大多数塑料基PBGA球引脚是Sn/Pb(共晶)或Sn/Ag/Cu(无铅)合金组分。陶瓷封装基板互连的阵列球引脚采用10Sn/90Pb铅含量高的焊料球或焊料柱。

 阵列球引脚器件在印制板上进行装焊时,人们对阵列封装器件焊接的长期可靠性一直是关注的重要问题。材料的热膨胀系数(CTE)的差别产生的应力,势必会施加到焊接界面。材料的热膨胀系数(CTE)的差别,阵列封装球引脚焊点的坚固性取决于组件的使用环境及产品的可靠性要求。采用非相配的环氧树脂粘结大尺寸硅芯片,更增大热膨胀系数(CTE)的失配。硅芯片CTE约为3ppm/℃,有机封装基板接近16ppm/℃。在组装过程中封装翘曲,甚至封装内的功率耗散会使焊点承受明显的应力。CTE失配进一步恶化,焊点界面的受到过大应力和应变,这最终都将导致焊点缺陷,甚至造成金属焊盘分离。

     器件支承高度

     器件支承高度影响到焊点的可靠性。支承高度越高,焊点的可靠性就越好。63Sn/37Pb焊料球引脚的印制板的焊点高度基本上没有受到控制,且下降(h400-640µm),10Sn/90Pb焊料球引脚一般直径为760-890µm,器件装焊后获得了相同焊点高度,由于10Sn/90Pb焊料的液相温度明显高于近共晶Sn/Pb焊料合金的温度,在再流焊接过程中,不会熔融。表1给出了有关Sn/Pb焊料球的器件焊后支承高度。

1  Sn/Pb焊料球引脚的一般支承高度

焊料球间距

支承高度

再流前焊料球直径

PCB焊盘尺寸

1.27mm

0.40mm-0.60mm

0.75mm

0.60mm

1.00mm

0.45mm-0.55mm

0.60mm

0.45mm

0.80mm

0.35mm-0.45mm

0.30mm

0.30mm

0.50mm

0.18mm-0.26mm

0.25mm

0.25mm

0.50mm

0.08mm-0.15mm

0.17mm

0.25mm

 

    器件封装重量也影响到焊点的可靠性,因为重量影响到焊点或支承高度。控制支承高度的关键因素是焊盘尺寸、焊料量和器件件的重量。器件重量轻,焊盘尺寸小,焊料量多,器件焊后的支承高度就大。

   PCB焊盘设计的影响

    影响可靠性的另一个问题是焊点的几何形状和焊盘的金属化。如采用阻焊层定义金属化焊盘(SMD,覆盖焊盘金属化的阻焊剂层将影响焊点的几何形状,SMD焊点几何形状导致的应力集中可能造成焊点缺陷,降低焊点的可靠性。阻焊剂层的形状和厚度也会影响到焊点的可靠性。图10所示是由于阻焊剂层应力集中所造成的焊点开裂。

对于同等高度的焊点,使用非阻焊剂限定的(NSMD)与SMD焊盘比较,前者可使疲劳寿命提高约1.25-3个系数,这对于处于不同负载条件下的焊点可靠性有了很大改善。表面金属化材料在BGA焊点的可靠性方面也起到了关键作用,通常使用HASL的表面镀覆材料,因工艺控制部严,镀层厚度不是太厚,就是太薄。如可焊层无足够厚度,则焊盘的可焊性就减少。在化学镀镍层上浸金有可能出现黑色焊盘缺陷,在机械和热应力的作用下会导致焊点开裂。黑色焊盘缺陷被认为是由于在镀金过程中的腐蚀反应所造成的。

8-10 阻焊层的影响

印制板BGA焊点焊盘底部的叠层材料也有可能出现裂缝。这类缺陷是由于在再流焊接过程中热机械应力,或者是组装对焊点连续施加的机械应力所致。焊盘中的导通孔或焊盘旁的导通孔可能导致在再流焊过程中液态焊料从孔中流出,通常建议不要采用这种方式。某些公司试用的焊盘中的导通孔获得了成功,然而只有具有足够内部资源的公司才能使用这种方法,以便使焊盘中的导通孔技术的焊点可靠性得到保证。

微过孔-焊盘图形设计已越来越普遍得到应用。许多研究表明大多数孔洞没有对初始的焊点裂缝在可靠性方面的产生风险,不过这些孔洞减少了焊点的有效连接面积, 缩短了裂缝扩展产生缺陷的时间。图11所示是在可靠性测试后出现的一个缺陷案例,孔洞面积太大,使得焊料球引脚坍塌。

11 孔洞面积极大,导致的可靠性测试失效

 陶瓷阵列器件的焊接可靠性

陶瓷阵列器件的CTE约在6ppm/℃,印制板的CTE16-20 ppm/℃间。因此,陶瓷封装器件和有机印制板之间的柱引脚的CTE失配达10-14ppm/℃。为了补偿柱引脚CTE失配,要求在许多应用中,陶瓷阵列器件的焊料柱的功能要可靠。由于器件拐角焊点受到的负载比其它焊点多得多(其距中心点最远)所以首先失效。

用于陶瓷GAC的焊料柱是10Sn/90Pb合金,长度为1.27-2.29mm,可压铸在CGA上的,或者是用近共晶Sn/Pb焊线焊到CGA和基板上。在除焊点高度, 所有参数相等的条件下,CBGA0.41mm/16mil):CBGA0.76mm/30mil):CGA2.29mm/90mil)疲劳寿命的比率,=1445。焊料柱高度受到直径与柱高比的要求限制,不能因使用细长柱,来改变负载条件浇注的焊料柱适用于较大的直径与柱高比。

     BGA板级组装的无铅焊接工艺

     本节的内容将涉及到BGA的板级无铅焊接工艺,阐述如何选择各种不同无铅合金,接下对用于BGA组装的印制板设计和组装工艺,以及由锡铅向无铅化组装转换过程中出现的一些问题进行探讨。

l    无铅合金的选择

    无铅合金替代一直使用的锡铅(SnPb)合金。最理想的是替代合金不要求现有封装和板级组装的材料、设备和工艺有很大的改变。现实,目前所有推荐的无铅焊料合金中没有一种无铅合金具备这样的优势。

    美国国家制造科学中心(NCMS)针对在现有的无铅焊料合金中选择最佳合金的进行了多年的研究。最终提出的研究报告对79种无铅焊料合金进行了全面评估。

    2所列是常用的一些无铅焊料合金,这些焊料已经过NCMS中心的评估。根据合金的熔点将其列在表中。最具优势的合金大多数是富锡合金(>90%Sn),Sn与其它如;BiZnSbAgCu等金属元素分别形成二元或三元合金系统。这些合金系统的熔点、优缺点与其它可能的替代无铅合金都列在表中。

    富锡无铅合金熔点明显高于共晶SnPb焊料(熔点183℃)。较低的或可比较的熔点。

2 通用无铅焊料、其熔点、优点和缺点

合金或合金组分

熔点(

优点

缺点

95Sn5Pb

240

良好的抗疲劳性

毒性比Sn/Pb(37/62)高,熔融温度高,8℃膏状范围,润湿性差,拉伸强度低。

99.3Sn0.7Cu

227

与其它无铅焊料比较成本低,在不含铅的填角中没有抬起的倾向。

在空气中的润湿性下降,但是在惰性气氛下可满足要求。

96.5Sn3.5Ag

221

NCMS研究中是首选的焊料之一,多年来被用于某些领域的应用,在某些加速可靠性测试结果表明疲劳特性类似于锡铅焊料。

在再流焊接中的高锡合金含量中,润湿性最差,虽然,润湿性仍可满足多数印制板组装的工艺要求。

SnAgCu

217-220

抗蠕变性比锡铅焊料好,在某些加速可靠性测试结果表明疲劳特性比锡铅焊料好。

某些成分是有专利权的

SnZnBi

191-199

熔点与锡铅合金近似,强度比锡铅焊料好,在某些加速可靠性测试结果表明疲劳特性比锡铅焊料好。

很可能氧化和腐蚀,但是少量的铝可缓解这些问题,为了获得可接受的制造产量,要求使用专用夹具和焊接工艺

91Sn9Zn

199

63Sn37Pb

183

广泛使用的焊料合金

含铅

58Bi42Sn

139

用于低温应用。

熔点太低,满足不了计算机应用的要求,由于铅杂质有可能形成低熔融三相

52In48Sn

118

低熔点焊料之一。

铟供应有限,熔点太低,满足不了计算机应用的要求,有腐蚀的可能。

 

经多年的研究,已从Sn-Ag-Cu系统已被大多数国际机构认可作为作为无铅焊料的替代合金的选择。在对无铅替代合金与合金组分进行全面评估最后时,考虑到许多方面的因素,其中包括;
    •
熔融温度
    •
对通用器件封装基板和印制板表面镀层的可润湿性。
    •
与通用焊剂,特别是免清洗焊剂的兼容性。
    •
器件和印制板组件的可靠性
    •
机械、电和热性能
    •
可返工性
    •
与铅的兼容性(过渡时期)
    •
供应商供给情况
    •
成本
    •
专利相关的事宜
3将三个国际合作机构选择的Sn-Ag-Cu系统组分进行了比较。这些组分十分接近,且在再流焊过程中的工艺特性也类似相同。通常焊料合金的供应商规定的每种焊料组分的比重容差为±0.2%,这个数据与ANSI J-STD-006技术规范一致。由此可得下面的合金组分都是重叠的。
3各国际合作机构选择的SnAgCu类无铅焊料合金组分的比较
国际合作机构 %Sn %Ag %Cu
IDEALS 95.5 3.8 0.7
JEITA 96.5 3.0 0.5
NEMI 95.5 3.9 0.6

 印制板组装设计的工艺性
   
通常,采用无铅焊料的BGA的印制板组装设计与常用的锡铅焊料的印制板设计规则极为相同。可将锡铅(SnPb)印制板采用的可制造性设计(DFM)规则和指南用于无铅印制板设计中去。这些包括考虑元件方向、焊接、导通孔、阻焊剂、可返修性和可测试性。其中一些因素在下面详述。
 BGA
焊盘图形设计:与SnPbl BGA组装焊接一样,常用于SnAgCu焊接的BGA焊盘类型是选用非阻焊剂定义焊盘(NSMD),的设计,不是阻焊剂定义焊盘(SMD),这样给印制板设计人员具有很大的灵活性,且阻焊层施加在焊点上的应力也较小。
 
元件在PCB上的贴装位置:SnAgCu焊料合金要求再流焊过程采用较高的温度进行再流焊接,贴装面积较大、对温度敏感的BGA器件需要认真地对待。通常,印制板近边缘区域的温度要比中心区域高5-15,取决于印制板尺寸、厚度和层数。大的封装更容易吸湿,在经历较高的再流温度时,可能出现热应力诱导的缺陷。这类封装,如果可能的话,应尽量布置在印制板的中心区域。考虑到一些其它因素如;导线的可布局性和导线密度,需要将较大尺寸的BGA器件安置在印制板边缘区域贴装,在这种情况下,再流焊接工艺窗口保持BGA器件置于低于极限值的可接受最高温度的调节范围是很窄的。l
 
再流焊接工艺的考虑
SMT
再流焊接通常是在强热风对流的再流焊炉中完成的。与SnPb焊料比较,尽管需要较高的再流温度来熔融SnAgCu焊料,但是无铅再流焊接也可以不需要更新设备来实现。可将以往SnPb焊料使用的焊炉进行适当改进,提高的温度设置值,多温度加热区的无铅再流炉。
焊炉炉道气氛环境可以是自然气氛,或者是惰性气氛,如氮气。对于无铅焊接,在高温焊接操作过程中,要降低板组装上材料的氧化物,建议使用惰性气氛。某些印制板表面镀层,如有机可焊性保护(OSP)涂层在再流焊接过程中要求使用惰性气氛,以达到可接受的焊点质量等级。
通常,焊膏制造商推荐的再流焊接曲线是为所有印制板组装开发的。由于SnAgCu无铅焊料要求较高的再流焊接温度,所以确定印制板上不同位置的温度是很重要的。各种元器件的实际温度可能是不同的,这是与元件周边、印制板上元器件的安装位置和组装密度等因素相关。
为了防止塑料封装器件出现吸湿和热机械应力诱导的缺陷,最好是测量器件体的温度进行检查,以保证器件温度没有超过额定的最高温度。因此可将测量温度的热电偶连接到印制板组装的器件,测量在再流焊接过程中,焊点和不同元器件体的实际温度。通常,大型尺寸的器件,其引脚/焊料球与器件塑压物之间的温差大于5
12BGA焊点的一般的SnAgCu无铅再流曲线与SnPb再流曲线进行了比较。
有四个不同的再流温度区:预热区,在这个区段,焊膏组分中的有机挥发成分演变;活化区段,整个印制板的温度达到均衡,焊剂开始活化;再流区,在这个区段,焊料合金熔融、润湿焊盘表面和形成焊点;冷却区,这个区段,焊料凝结固化,印制板组件从再流焊炉道中传送出,通过风扇强制对流气体使印制板冷却。
 
12无铅(SnAgCu)和SnPb BGA再流焊工艺曲线的比较
12中的再流曲线对术语活化温度进行了说明,由于在焊料再流前,要经过焊剂活化后才能实施下一步加热工艺。另一种再流焊曲线,也称之为线性的升温曲线,这个曲线可从预热区段向再流焊接区段渐进升温。再流炉的这些升温曲线提高了印制板组装量。需要防止元器件温度过高,特别是近印制板边缘区。
BGA
无铅焊点的外观
BGA
焊点被其封装体遮蔽,然而借助专用的显微镜,如内窥镜,可以看到周边的焊点。SnAgCu焊点显微结构是多相显微结构,焊点表面看上去很粗糙。图13所示是典型的SnAgCu BGA焊点。这与SnPb BGA焊点有很大差别,SnPb BGA焊点表面是光亮的。
 
13 SnAgCu BGA焊料球的内窥镜图片
无铅技术的实施
   
SnPb焊接系统转向完全无铅焊接系统应该讲不是件容易事,期间将有一个中间过渡过程,在这个过程中的某一阶段,印制板的SnPb焊料和无铅焊料将共存组装,因为在电子制造工业的各个环节在时间和技术方面的准备不是同步进行的。过渡阶段要求对使用SnAgCu无铅焊接工艺,可能产生对焊点的质量和可靠性的影响进行评估。
4列出了在过渡时期可能使用的各种无铅板组装形式;
4可能使用的无铅组装形式
定义 元器件焊端/引脚 焊膏 印制板表面镀层
正向(印制板和元件无铅,焊料含铅)兼容 含铅 无铅 可能含铅
反向(印制板、元器件含铅,焊料无铅)兼容 无铅 63Sn37Pb 可能含铅
完全无铅 无铅 无铅 无铅

上表中列出的第一项无铅印制板组装是正向兼容,印制板组装焊接工艺是改变焊膏成分和再流焊接曲线,以适应这种变化,从而过渡到无铅技术。然而,某些元器件,如焊接到印制板上的BGA器件,仍使用SnPb焊料球引脚,这是因为元器件供应商的无铅过渡期限规定是落在印制板组装的过渡规定期限的后面。这样就使得BGA器件的SnPb焊球引脚成为被无铅合金焊膏铅污染的源头。
第二项无铅板组装是反向兼容。反向兼容是在元器件供应商推出无铅元器件时而制定的一种方案,但是并不是所有使用这类元器件的印制板组装厂家都将其印制板组装线转换成无铅技术。这些组装厂家仍将用共晶SnPb焊膏和SnPb再流焊接曲线焊接无铅元件。 在这种情况下,显然最好是使用SnPb元器件,但是由于经济方面的种种原因,元件供应商不愿意为相同的器件引用两条元器件生产线,即一条用于SnPb,另一条用于无铅。采用组合材料形成的焊点在BGA类型的元器件的无铅焊料球中会出现Pb“杂质
 
图中文字:完全无铅   反向兼容     温度     T SnPb熔融   TSnAgCu熔融  
14 SnPb的再流焊接曲线、反向兼容和完全无铅板组装的比较
  
 
15用标准SnPb再流焊曲线和SnPb焊膏组装到板上的BGA SnAgCu焊料球的断层显微图片。
SnAgCu
焊料球不熔融。黑色/灰色互连指是富铅晶粒边界;杆状粒子是Ag3Sn IMC,灰色粒子是Cu6Sn5 IMC
 
由含铅与无铅两种材料混合组装形成的焊点将对BGA无铅球引脚焊点产生有铅污染问题.BGA无铅SnAgCu球引脚器件使用SnPb 焊膏进行组装时,根据使用的再流曲线,采用两种不同的方案。图14所示是两个再流曲线的比较,也对完全无铅再流曲线进行了比较。
现今用于的SnPb组装的SnPb再流焊工艺曲线,未达到SnAgCu球引脚的熔点温度,,结果将对焊接产能及可靠性构成不利影响。
  
在印制板上的SnPb 焊膏熔融,但是BGA器件的 SnAgCu球引脚仍然未熔融。铅通过球引脚合金的晶界扩散,铅扩散进入SnAgCu的深度取决于再流温度及SnPb 焊膏合金的熔融时间长短。如图15所示,使用SnPb焊膏组装BGA 器件SnAgCu球引脚,形成的焊点显微结构是非匀质与不稳定的。这对焊点可靠性产生有害的影响,且对焊点的产能也造成不利的影响,其理由是,在再流焊过程因为SnAgCu合金未完全熔融,球引脚的不良的自对准功能,器件可能未对准焊盘造成开路缺陷。其二是,,因焊膏与球引脚间无接触,这些无熔塌的球引脚可能造成焊点开路。
 
为达到最好的焊点产能及可靠性,可使用图14所设计的反向兼容再流焊曲线。采用这种再流焊工艺曲线,SnAgCu合金球引脚也能熔融,SnPb熔融合金中的铅与熔融的SnAgCu合金球引脚完全混合,产生在Sn内形成匀质,精细的富铅相。此显微结构如图16所示;而且因为SnAgCu 球引脚熔融塌落,器件的自对准过程及共面性的问题得到改善,提高BGA 器件的焊点产能。
 
16用反向兼容再流焊接曲线和SnPb焊膏组装到板上的
BGA SnAgCu
焊料球的断层显微图片。SnAgCu焊料球熔融。
 
组装工艺可靠性的设计(DfR   
  
改善球阵列器件组装可靠性,采取的DfR措施有;
1
 调整CTE,降低球引脚热膨胀失配。
2
 提高焊点支承高度,补偿球引脚热膨胀失配。
    DfR
措施旨在实现高可靠性,还包括下面几点:
3
 通过使用相应的器件底层填料的方法,排除球引脚热膨胀失配的影响。
4
 选择软芯片连接,以降低芯片低CTE2.7-2.8ppm/)对球引脚和局部热膨胀失配的影响。
调整CTE包括选择材料或多层板和/或元器件的材料组合,以便达到最佳的CTE。有源器件功耗的最佳CTE 是~1-3ppm/(取决于功耗),无源元件的功耗为0 ppm/。当然,一个印制板组件上有许多元器件,所有元器件都实现完全优化的CTE是不可能的,需要对存在可靠性的可能性最大的元器件进行优化。对于要求气密封装的军用领域,要使用陶瓷元器件,调整CTE意味着对多层板的CTE提出要求,如可戈合金和石墨纤维或铜-镍铁合金-铜和铜--铜这类材料。对于多数商用电子产品来说,成本太高。可以选用玻璃环氧树脂或玻璃聚酰亚胺多层板的材料。因此,CTE的调整必须尽可能不使用较大尺寸器件,如陶瓷的(CGAMCM)、合金引脚框(TSOPSOT)或刚性键合硅芯片(PBGA)的塑料封装。
提高无铅焊接的顺允性意味着提高焊点高度(C4C5、充填、胶粘,10Sn90Pb焊料柱引脚)或器件转换到引脚焊接技术。对于有引脚的焊接,提高引脚的顺允性意味着更换元件供应商或改用细间距技术。
DfR
需要强调物理故障方面,不能忽视故障的统计分布方法(属性)。这种过程包括下面几个步骤:
A
.确认可靠性要求——期望的设计寿命和在设计寿命结束时可接受的累积故障概率。
B.
确认负载条件——使用环境(例如;IPC-SM-785)与功耗产生的温度梯度,这些因素可能变化或产生大量的小循环。
C.
确认/选择组装结构——元器件和基板选择、材料特性(例如;CTE)和焊接的几何形状。
D.
评估可靠性——确定组装设计的可靠性和使用本节的方法或其它适用技术,比较可靠性要求。
E
.平衡性能、成本和可靠性要求。
    SMT
组装可靠性测试
SMT
组装的可靠性测试应按照IPC-SM-785标准(即SMT焊装的可靠性加速测试指南)得规定进行。然而,散热量大的大尺寸元器件,非对称结构的元器件及小尺寸焊料球的CTE失配,温度循环测试不足以提供所需要的信息,全功能循环测试方法应包括外部温度和内部功率循环这是有必要的。
 
可靠性测试筛选程序
 
焊点缺陷l
   
涉及到可靠性最大的焊点缺陷是在不论任何原因导致的润湿不充分。适当润湿的焊点具有足够的强度,即使在严重的机械以及热循环负载条件下,焊点的可靠性不会下降。然而润湿不良的焊点,由于机械和热循环负载条件下,焊点往往会过早地失效。
   
通常,认为焊点中的空洞对可靠性不构成威胁。可能的异常现象是大的空洞,减少焊点截面积,导致焊点的导热功能下降。在高频应用中的空洞会也将导致信号传输中断。
非熔塌焊料球BGA器件(高温焊料90%Pb10%Sn,熔点为302),因为在再流焊接过程中焊料球从不熔融,一般很少或没有诱导空洞的现象,。
 
测试结果筛选l
   
有效的测试筛选程序需能够对潜在缺陷的焊点造成暴露,(即;焊点润湿不充分,不能对高质量焊点造成明显损坏)。
   
最好的测试筛选方法是随机振动(10-20min6-10g),在低温条件下如;40。除焊接强度不足的焊点,这种负载不会损坏良好的焊点。
   
热冲击试验也是一种成功的筛选方法,但可能对良好焊点造成某些损坏,特别是较大尺寸的器件

 

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