BGA无铅焊点界面演化及可靠性研究

论文摘要

BGA（Ball Grid Array）由于具有高密度、体积小、高可靠性、信号延迟少等优势,目前正逐步成为高端IC和ASICs封装的主流技术。BGA通过焊球直接实现组件和PCB （Printed Circuit Board）板的电气及机械刚性连接,形成更高一级的功能模块。但是电子器件在制造和服役过程中要承受振动、机械和热应力,而且焊点金属间化合物（IMC）的过度生长、焊接的缺陷等原因,常常造成焊点的失效,进而引起整个BGA器件电路中断乃至失效,可见BGA焊点的完整性是影响电子产品可靠性的一个关键因素,同时由于Pb对环境及人体的危害,在绿色环保的要求下,电子封装基本实现无铅化,无铅焊料Sn-Ag-Cu以其良好的综合性能逐渐代替了传统的Sn-Pb焊料,但是由于它的成本较高、润湿性能较差,使其在大规模应用于实际电子产品中受到制约,尤其是焊球采用新的无铅化工艺后,BGA焊球的失效研究尚不充分。因此,研究Sn-Ag-Cu无铅焊点性能对BGA封装器件的实际应用具有重大的意义。本文对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅BGA封装器件和焊球进行拉伸和剪切实验。封装器件实验主要研究焊盘表面镀层、时效温度及时效时间对焊点机械性能、断裂模式及断裂机制的的影响。同样,BGA微焊球实验研究了剪切速率、时效温度及时效时间对焊点力学性能、断裂模式及断裂机制的影响,并采用二维非线性有限元分析法（FEA）对焊点在不同剪切速率下的应力、应变分布进行了深入研究。针对IMC层对无铅焊点可靠性的影响,本文研究了IMC层在回流焊及时效过程中的生长。利用扫描电子显微镜（SEM）观测分析了IMC层形貌、厚度以及组织成分随时效温度升高、时效时间增加的变化,并与拉伸、剪切测试数据结合,定性的分析了BGA无铅Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点IMC层对焊点连接强度的影响。本文研究结果表明,BGA封装器件焊点的剪切强度随时效时间的延长,时效温度的增加而下降,拉伸强度在115℃时效呈先降后升的趋势,在165℃时效呈持续下降趋势,在相同时效条件下,焊盘经Ni/Pd/Au处理的焊点强度高于OSP处理的焊点;断裂位置随时效温度的升高和时间的延长,由焊球断裂向界面开裂及焊盘失效转变,焊点内部结构粗化,IMC增厚,且与老化时间的平方根呈线性关系,断裂模式由韧性断裂向脆性断裂发展;BGA微焊球剪切强度随剪切速率的升高而下降,而拉伸速率对抗拉强度基本上没有影响,在65℃和115℃时效,剪切强度和抗拉强度没有明显的变化,在165℃时效,剪切强度和抗拉强度持续下降。有限元模拟所得BGA焊球剪切等效塑性应变随剪切速率的增加而下降,而等效应力随剪切速率的增加而增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 电子封装技术概述
• 1.1.1 微电子封装的发展
• 1.1.2 电子封装无铅化的发展
• 1.1.3 电子封装无铅化引发的新问题
• 1.2 无铅化电子封装中的可靠性问题及其研究内容
• 1.2.1 电子封装可靠性问题
• 1.2.2 焊点可靠性的研究内容
• 1.3 有限元方法概述及其在微电子封装的应用
• 1.3.1 有限元方法的理论基础
• 1.3.2 有限元方法及ANSYS 在微电子封装中的应用
• 1.4 本文的研究目的及内容
• 1.4.1 研究意义及目的
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 试样制备/实验设计和焊点可靠性检测
• 2.1 试样制备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 BGA 焊盘设计及镀层
• 2.1.3 回流焊接
• 2.2 可靠性试验设计
• 2.2.1 BGA 封装器件的等温时效
• 2.2.2 BGA 封装器件的强度测试和显微剖样观察
• 2.2.3 拉伸/剪切夹具设计
• 2.3 BGA 微焊点质量检测与评估方法
• 2.3.1 X-射线检测
• 2.3.2 高频超声波扫描显微镜检测（C-SAM）
• 2.3.3 金相实验
• 第三章 高温时效对BGA 器件焊点力学性能和断裂机制的影响
• 3.1 无损检测
• 3.2 BGA 器件焊点拉伸失效机理及失效模式
• 3.2.1 焊点拉伸强度变化规律
• 3.2.2 BGA 焊点断口形貌及断裂机制分析
• 3.3 试样制备BGA 器件焊点剪切失效机理及失效模式
• 3.3.1 焊点剪切强度变化规律
• 3.3.2 焊点的断裂位置随时效时间的变化
• 3.3.3 BGA 焊点断口形貌及断裂机制分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 高温时效对BGA 无铅焊点显微组织及界面IMC 的影响
• 4.1 金属间化合物对焊点可靠性的影响
• 4.2 IMC 生长机理分析
• 4.2.1 IMC 形成的动力学
• 4.2.2 IMC 生长厚度影响因素
• 4.2.3 互扩散和柯肯达尔（Kirkendall）效应
• 4.3 金相试样的制备及观测
• 4.3.1 金相试样的制备
• 4.3.2 金相试样的观测
• 4.4 实验结果与分析
• 4.4.1 焊点显微结构及IMC 形貌变化
• 4.4.2 SAC305 焊点IMC 厚度的变化
• 4.5 本章小结
• 第五章 高温时效对BGA 微焊点力学性能及断裂模式的影响
• 5.1 焊点强度测试实验设计
• 5.1.1 BGA 微焊点的等温时效
• 5.1.2 BGA 微焊点的强度测试仪器
• 5.1.3 BGA 微焊点的力学性能测试
• 5.2 BGA 微焊点强度
• 5.2.1 BGA 微焊点剪切强度变化规律
• 5.2.2 BGA 微焊点拉伸强度变化规律
• 5.2.3 BGA 微焊点剪切、拉伸断裂模式变化规律
• 5.3 2-D 非线性有限元（FEA）分析
• 5.3.1 非线性接触问题
• 5.3.2 非线性接触问题模型的建立和参数的选择
• 5.3.3 模型边界条件及加载条件
• 5.3.4 计算结果及分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 1 论文的主要工作及结论
• 2 论文创新点
• 3 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的论文成果
• 致谢
• 附件