简介:

0 引言

随着半导体芯片技术的不断发展，表面贴装器件逐渐向高密度、 高可靠性、 小型化的方向发展，球栅阵列封装（BGA）是电子产品主要高密度封装技术之一。 由于电子封装制造业的无铅化时代的到来，导致大量无铅电子产品的质量与可靠性问题产生［1-4］，而无铅焊点的可靠性是与其所使用的无铅钎料合金的性能以及焊点的微观结构方面密切相关。双面贴装BGA 器件印制电路板有时会出现批次性互连焊点单面失效的特殊问题。贴装印制电路板为研究对象，通过对热应力加速实验中失效的本研究以双面贴装印刷电路板为研究对象,通过对热应力加速实验中失效的SnAgCu 无铅BGA 焊点的显微结构分析和力学性能检测， 确定了双面贴装印制电路板中单面互连焊点失效的特殊问题， 从焊点合金微结构的角度分析了单面焊点互连失效的原因，提出了焊点的潜在失效机理与防止措施。

1 实验

采用双面FR4 基板（PCB 板）和BGA 封装器件，表面组装工艺如下： 锡膏涂布→ BGA 器件贴装→回流焊接→翻板→锡膏涂布→ BGA 器件贴装→回流焊接， 形成双面各贴装8 枚BGA 芯片的印制电路板。BGA 器件焊接所用的钎料为无铅Sn3.0Aｇ0.5Cu钎料， BGA 器件焊盘和PCB 焊盘采用镍金焊盘，Ni层中P含量大约为7 ％ ～ 9％。焊接后双面贴装BGA 器件的电路板结构如图1所示。



首先采用高低温冲击实验箱（TSG-70H-W），对完成组装的双面贴装印制电路板进行高低温应力加速实验， 温度循环实验参数见表1，表1 中θ为循环条件（温度）， T 为持续时间， v 为温变速率。进行500 个温度循环后进行电路互连性能检测，判定电路板是否在加速实验中发生互连失效。对发生互连失效的电路板进行金相切片分析，初步判断焊点的失效位置。确定了互连失效的具体位置后，采用扫描电镜和X射线能谱（XL.30&DX-4i）分析失效焊点的显微形貌。采用微机控制电子万能实验机（CMT6502）对电路板表面BGA 器件进行力学性能测试。



2 结果与讨论

对双面贴装PCB 板进行热循环加速实验，主要是为了通过加速实验来发现互连中潜在的失效位置。热应力加速实验后，通过电性能检测判定组装板是否在加速实验中发生互连失效。图2 是加速实验后发生互连失效的双面贴装电路板的代表性截面（沿图1 上截面）金相照片（如图2（A））和A、B面互连焊点的金相照片（如图2 （B）～ （e））。对双面电路板A、B 两面互连焊点的金相显微分析发现，A 面BGA 器件焊盘和焊点界面发生多处互连开路失效，图2 （A）左上方位置的互连焊点存在贯穿性裂缝（在器件焊盘和焊点结合面，如图2（c））。而在表面贴装前，BGA 器件焊盘与SnAgCu焊点间结合良好，金属间化合物均匀，并未发现结合界面存在裂缝或空洞（如图3）。这说明A 面焊点BGA 器件焊盘和焊点结合界面的裂纹是在热应力加速实验中产生的，而同样经过热循环加速实验的B面互连焊点，上、下界面的互连良好，没有发现任何的开裂痕迹，如图2 （d）、（e）。双面贴装BGA 器件的电路板出现了A 面BGA 焊点发生失效而B 面互连正常的特殊现象。在器件贴装过程中，A 面BGA 焊点经历了两次回流焊，而B 面BGA焊点只经历了一次回流焊，这是热应力加速实验对A、B 面焊点产生不同效果的主要原因。





焊点/焊盘界面在热应力条件下的失效，和SnAgCu 钎料合金与非电镀Ni （P）焊盘间材料显微结构的演变有关。不含Cu 时，Sn 在Ni 层的两元素中或SnPB 在Ni 层的三元系中形成Ni3Sn4。使用含Cu 的SnAgCu 钎料时，化合物Ni3Sn4 形成受到抑制，将形成溶有Ni 的Cu6Sn5［5-7］。

由于在回流焊过程中熔融钎料只存在约1 min，三元合金Ni26Cu29 Sn45没有充分的形成时间，因此，不考虑Ni26Cu29Sn45化合物的压稳态相图，可以更好地描述SnAgCu 钎料与金属镀层之间的反应。根据K.Zeng等人［8］基于实验数据所得的优化的相平衡数据库，Ni3Sn4 和Cu6Sn5 在235 ℃时的亚稳态平衡相图如图4 所示。根据对焊点中第一相形成的预测［9］，由图4 （B）可知，焊点与焊盘结合界面反应形成的第一相确实是溶有一定量Ni 的Cu6Sn5，而非溶有Cu 的Ni3Sn4 相（如图4（A））。如果钎料中Cu含量很低，连线穿过Ni3 Sn4相的液相线时，首先形成的金属间化合物是Ni3Sn4。当二元SnCu钎料中Cu 的质量分数（w）为0.2％时，与Ni的钎料反应的产物是（Ni，Cu）3 Sn4。当Cu的质量分数为0.7％ ～ 1.0％ 时，反应产物则是（Cu，Ni）6 Sn5。因此，回流焊后，SnAgCu 焊点和Ni（P）反应形成一层金属间化合物（Cu，Ni）6 Sn5，对焊点／焊盘界面的EDX 能谱分析也证实了这一点。而ENIＧ 焊盘上的Au层（约为0.05μm），回流过程中溶入钎料内，在钎料中沉积形成AuSn4［10］。在镀层表面的非晶态的Ni （P）在回流焊过程中会结晶形成Ni3P 化合物，而（Cu，Ni）6 Sn5 和Ni3P 之间会形成三元的NiSnP 纳米晶层，该层有良好的柱状晶结构［11］。



图5 是A 面失效焊点的SEM 照片，通过EDX能谱分析确认，贯穿性裂缝处于（Cu，Ni）6 Sn5 金属间化合物与焊盘Ni（P）层之间（如图5 （B）、（c））。因此，造成断裂失效的合金层可能是Ni3P层或NiSnP 层。由于这两个合金层很薄，同时Ni （P）和Ni3P 层间没有明显的界面，对断裂层的直接表征造成了困难。前面的研究发现：在纳米晶NiSnP层中存在大量KirkendAll 空洞［12］，由于Ni 是从（Cu，Ni）6Sn5 层进入到NiSnP 层，同时在（Cu，Ni）6 Sn5 层中没有发现P 元素，因此，Sn 的向外扩散造成NiSnP 层中形成了KirkendAll 空洞，这对焊点可靠性有很大的影响。在热应力实验中，裂纹产生于钎料球，延长回流焊时间或增加回流焊次数，裂纹将扩展进入NiSnP 层，由于NiSnP 层很薄，形成空洞后变得不连续，这样裂纹很容易通过此层扩展，产生失效。A、B 面的焊点分别经历了两次和一次回流焊，而在回流焊之前，BGA 器件的焊盘和焊点间还经历了突点制作过程的热处理，三次高温热处理使得A 面BGA 器件的焊盘和焊点间成为双面电路板中热处理次数最多的位置，成为焊点互连中的薄弱环节。



表2 是经过热加速实验后电路板A、B 面的BGA 器件剪切力测试结果。在剪切力（τ）作用下，A 面的BGA 器件在焊盘与焊球的接触界面发生断裂，结合SEM 的测试结果，其断裂主要是由于多次的回流焊热处理，NiSnP 层中的Sn 迁移引起了大量的空洞，沿NiSnP 层在（Cu，Ni）6 Sn5 金属间化合物与焊盘间发生断裂。而B 面的BGA 器件在剪切力下的断裂主要发生在PCB 基板与PCB 焊盘之间，说明经过同样的热应力加速实验后，B 面的BGA 器件上焊点的结合力要大于A 面上的互连焊点，最终在极限应力作用下，在PCB 基板与PCB焊盘之间发生断裂，而BGA 器件焊盘与焊点、焊点与PCB 板焊盘之间尚未发生断裂。由于A 面BGA 焊盘与焊球间的金属间化合物是受到回流焊热处理次数最多的位置，因此，在受到外力时容易在焊球与BGA 焊盘之间开裂。



双面高密度贴装的印制电路板由于热膨胀失配、板面挠曲、组装工艺等因素很容易出现可靠性问题。采用相同的无铅器件进行双面贴装时，经历多次热处理的焊点／焊盘结合界面，是焊点互连的薄弱环节，在外界应力的作用下，往往会发生互连可靠性问题。因此，从电路板设计的角度来看，要尽可能减少高密度器件的双面贴装，以避免出现应力的集中；而从组装工艺的角度来看，尽可能优化双面贴装的焊接工艺，如BGA 器件焊盘改用Cu 焊盘、采用双面贴装一次回流焊等工艺，避免焊接界面金属间化合物的劣化。

3 结语

双面贴装PCB 中，单面互连焊点失效主要是由于回流焊热处理工艺引起的。Sn3.0Ag0.5Cu 无铅钎料与镍金焊盘反应形成（Cu，Ni）6Sn5、NiSnP 和Ni3P 金属间化合物，多次热处理后，NiSnP 层中形成的大量空洞是导致焊点失效的主要因素。随着回流焊次数的增加，裂纹扩展进入NiSnP 层并通过此层扩展，最终引发焊点沿（Cu，Ni）6 Sn5 金属间化合物层和Ni（P）镀层产生断裂失效。改变回流焊工艺是抑制双面贴装BGA 器件的印制电路板出现批次性互连焊点单面失效问题的关键。