CBGA的混合焊接工艺失效性分析

Zjianeng

陶瓷球栅阵列封装（Ceramic Ball Grid Array，CBGA）是一种高密度、面阵排布的表面贴装封装形式，通过陶瓷外壳上的焊球作为电路I/O端与印刷线路板（PCB）的连接。因其具有高互连密度、优异的热性能和电性能，同时气密性好、抗湿气性能高，封装后的电路长期可靠性高，近年来被广泛应用于军工的航空、航天以及高可靠性电子产品领域。传统的军工产品在SMT过程中，全部采用有铅制程。然而，在无铅化大背景下，目前市面上大部分CBGA器件采用的是无铅锡球（SAC305，熔点217℃）或Sn10Pb90（熔点约为302℃）高铅锡球为焊端，因此，在军工PCBA产品上，CBGA的贴装是有铅锡膏（Sn63Pb37，熔点183℃）与无铅锡球或与高铅锡球混合焊接，形成有铅/无铅、有铅/高铅混装焊点的过程。  

目前行业内对于CBGA器件混合焊接工艺讨论了三种处理方式[1]：一是先焊接有铅器件，然后单独采用无铅焊料对无铅器件进行焊接；二是将无铅器件逆向转换为有铅或高铅器件，然后采用有铅工艺焊接；三是无铅器件直接采用有铅焊料进行焊接，形成混合焊点。然而，前两种焊接方式受到效率和可操作性的限制，第三种焊接方式越来越受到欢迎。另一个比较重要的方面是，CBGA器件的陶瓷基底与PCB基材之间的热膨胀系数CTE的差异较大[2]，热匹配性不好，在长期的使用过程中，受温变应力等因素影响[3]，会导致CBGA发生焊点开裂等失效，可靠性寿命不高。业内关于焊点的性能及焊点寿命分析主要涉及混合焊接温度、混合焊点的显微组织、界面处金属间化合物、焊点力学性能、可靠性寿命的有限元分析、焊点寿命预测以及焊点失效机制等方面。

本文探讨了CBGA有铅/无铅、有铅/高铅混合焊接工艺的优化方法，探究了在温变循环应力下混合焊点的失效模式及失效机理，以及底部填充工艺（undeRFill）对混合焊点可靠性寿命的影响，为业内同行提供技术参考。

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2.CBGA的混合焊接工艺

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2.1混合焊点的模式

有铅/无铅、有铅/高铅混合焊接的成品如下图1所示，在一次过炉的过程中，以有铅锡膏在PCB板上同时实现有铅、无铅和高铅三种元器件的焊接。

2.2 混合焊接温度

（1）有铅元器件及高铅元器件的焊接

常见的有铅元器件的焊端为Sn63Pb37合金，与有铅锡膏的合金成分一致，如图2中a-1示意图和a-2焊点切片图所示。高铅元器件的焊端为熔点较高的Sn10Pb90（熔点约为302℃），在整个回流焊接过程中，高铅锡球始终保持固态球体状态，不发生熔化，仅通过锡球上下两端的有铅锡膏熔化后形成焊点，如图2中b-1、b-2示意图和b-3有铅/高铅混合焊点切片图。因此，对于有铅BGA和高铅BGA而言，SMT贴装过程其实都是有铅锡膏的熔化及形成焊点的过程。

（2）无铅元器件的焊接
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大多数的无铅BGA锡球的成分为SnAgCu（SAC305）合金，其熔点（约217 ℃）比Sn63Pb37焊料的熔点（约183 ℃）高出34 ℃，因此无铅BGA是混合焊接中更值得关注的器件。若采用有铅焊接温度曲线（峰值温度一般仅为 210℃~225℃），SAC锡球无法完全熔化，造成焊点内部大量气泡，BGA的自定位作用也无法发挥，形成由上下两部分组成的不均匀焊点组织，会导致混合焊点的可靠性变差；而采用无铅焊接温度曲线（峰值温度为 240℃~255℃ ），SAC与Sn63Pb37均可完全熔化，可得到充分混合，形成均匀的焊点组织，但是较高的峰值温度可能会对其他有铅/塑封器件带来损坏[4]。

对于SAC无铅BGA器件采用有铅焊膏的焊接，在现有的有铅回流工艺基础上，通过提高峰值问题和延长液相停留时间等参数进行优化，得到适用于有铅/无铅焊点的混装炉温曲线，可以保证焊点的完全混合，混合焊点如下图3所示。另外，根据焊接过程中锡膏反应机理可推断，优化后的混装曲线，将会同样满足有铅焊点及有铅/高铅混合焊点的焊接要求。

2.3 混合焊点显微组织

根据《GJBZ 163-2012 印制电路组件装焊技术指南》标准，目前对有铅/无铅混合焊点最常用的有效焊接的重要标志是Sn63Pb37与SnAgCu的完全混合，Pb在焊点中得到充分扩散，并且均匀分布（下图中白色为Pb相，黑色为Sn相）。混合焊接峰值温度和液相线以上停留时间，对焊点显微组织有重要的影响，在调节混装炉温曲线过程中需要重点关注。图4显示不同的峰值温度和液相线以上停留时间，对混合焊点显微组织的影响。

图4为不同峰值温度和液相线上停留时间对混合焊点显微组织的影响。当峰值温度为223 ℃，如图4（a）所示，焊点底部有大量气泡， Pb相只能少量的分布在焊点底部，不能均匀扩散至焊点中部和顶部，焊点的混合程度较差，同时混合焊点呈现“上小下大”的外观，主要是此时峰值温度偏低，SAC焊点成分未完全熔化，覆盖在Sn63Pb37锡膏表面，导致小分子和起泡无法溢出，在焊点底部形成大量的空洞。当焊点温度达到228℃时，Pb呈条状均匀分布在焊点中，如图4（b）；当焊点峰值温度进一步提高到233℃时，Pb呈点状均匀分布在焊点中，焊点的混合均匀程度良好，如图4（c）；随着峰值温度提高到240℃，Pb的扩散范围越来越大，焊点中Pb的尺寸越来越小，分布也越来越均匀，如图4（d）。随着温度的提高，Pb的扩散范围越来越大，最终形成的焊点中富Pb相的尺寸越来越小，分布也越来越均匀，同时考虑到有铅器件的耐高温能力一般低于240℃，再结合《GJBZ 163-2012印制电路组件装焊技术指南》中的要求，有铅/无铅混合焊接炉温曲线的峰值温度保持在230—235℃之间可确保焊点中Pb与Sn混合均匀，形成良好的焊点。

同时，在有铅/无铅混装（峰值温度233℃）炉温曲线下，有铅器件和高铅器件焊点的显微组织如下图5所示。有铅BGA焊点质量良好，满足IPC-A-610E标准中的相关要求，如图5中a-1和a-2。高铅BGA的焊点中，Sn63Pb37锡膏包裹Sn10Pb90高铅锡球，焊点外观边界清晰，无明显焊点偏移和焊点空洞等情况，焊点质量较好，如图5中b-1、b-2和b-3。证明有铅/无铅混装工艺，可以同时满足有铅和高铅BGA的焊接要求。

2.4界面处金属间化合物（IMC）形貌

在混合焊接过程中，焊接基底金属与液态焊料之间有两个过程同时发生，一是基板金属溶解到熔融的焊料金属中，二是焊料中的活性成分与基板金属结合，在基板与焊料界面形成金属间化合物（IMC）。IMC的形成说明焊料与焊盘的有效结合，同时也会对焊点的可靠性产生重要的影响。但由于IMC的脆性较高，过厚的IMC层会降低焊点的性能，尤其是在温度冲击和振动等高应力环境下。因此，在设置峰值温度和回流时间时要充分考虑它们对IMC形成和生长的影响。不同峰值温度下，焊点上下界面IMC形貌如下图6所示。

随着峰值温度由223℃逐渐增大到233℃，Sn63Pb37焊点及混合焊点与PCB一侧和器件一侧的焊盘界面均有连续均匀的IMC层，且IMC厚度在0.5μm—3μm之间，能够确保焊点与器件和PCB之间形成良好的焊接可靠性。

3.混合焊点的失效模式及失效机理

3.1CBGA焊点的温变失效机理

陶瓷材料与PCB板材间CTE不匹配是导致焊点失效的根本原因。在温度循环过程中，热胀冷缩，陶瓷与板材之间的膨胀量相差较大，所以焊点会承受这种变形量差异带来的剪切力的作用，并在焊点内部产生应力集中，在这种周期性的疲劳应力作用下，锡球会被逐渐向CBGA中心方向挤压，而4个边角处的焊点所承受的剪切应力最大，向中心位置偏移的形变量越大，从而导致焊点内部会出现裂纹的萌生和生长，最终造成焊点开裂，是失效的关键位置。

3.2高铅BGA焊点的失效模式

对于CBGA，在温度冲击测试后（IPC-TM-650标准2.6.7.2b 条件D）， 焊点向BGA中心位置发生不同程度的偏移，边角位置焊点的偏移变形最严重， 内侧焊点的偏移变形量逐渐地减小，中心焊点几乎不发生偏移，温度冲击过程中表贴焊点的外观演变如图7所示。

高铅焊球（10Sn90Pb）的熔点高达302℃左右，在回流焊过程中几乎不会融化，这使得有铅/高铅焊点中的高铅焊球保持一定的焊接高度，有利于减小焊点的剪切应变。但是，高铅焊球并未与有铅焊料相互融合，加上高铅焊球本身具有较大的刚性，应力则主要集中于Sn63Pb37焊料区域。如下图8所示， Sn63Pb37有铅锡膏在周期性的疲劳过程中，Pb相与Sn相发生富集，致使富Pb相和富Sn相的微观界面变得粗大，在富Pb相和富Sn相的界面萌生出裂纹（如图a），裂纹随着焊点疲劳过程逐渐增大（如图b和c），当焊点温度冲击测试到1100循环后，最终出现焊点内部锡膏缺失，产生空洞（如图d）。在可靠性测试后期，Sn63Pb37有铅锡膏内部的空洞，使得焊点的可靠性急剧降低，最终导致焊点失效。

另外，从失效现象可知，裂纹最先萌生于四周最外侧焊球上下界面, 裂纹的萌生和扩展是该处应力应变集中、热循环和蠕变相互作用的结果。随着温度冲击周期次数的增加，CBGA中心位置焊点也逐渐失效。

3.3有铅/无铅BGA焊点的失效模式
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温变应力会让有铅/无铅焊点中的软性相Pb产生塑性变形，随着循环次数的增加，循环应力导致Pb相和相邻Sn相之间萌发裂纹，同时，混合焊点中焊点界面处金属间化合物侧的富Pb层是裂纹易发点，如图9所示。裂纹的扩展方向主要受焊点组织和焊点应力状态的影响。裂纹沿晶扩展所需的能量较小，穿晶扩展需要的能量较大，沿晶裂纹的特点是形成了锯齿状的断裂界面。

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4.底部填充对混合焊点的影响

填充胶的热膨胀系数比焊点高，而弹性模量比焊点小一个数量级（本文实验中，底部填充胶CTE为55ppm/℃，弹性模量为2610MPa，而焊点的CTE为24.5 ppm/℃，模量约为19800MPa），底部填充胶封装 CBGA 焊点，可将芯片与基板黏成一体，减少热循环过程中的相对移动，缓冲并释放因冲击在焊点上所产生的应力，从而增强焊点的疲劳寿命。与非填充工艺的高铅焊点失效模式相比，underfill工艺后，焊点不发生明显偏移，如下图10所示。同时，本文研究的实验结果显示，underfill工艺能够有效的将有铅/无铅及有铅/高铅混合焊点的温变可靠性寿命提升20%—40%。当然，底部填充胶是增强BGA组装可靠性的重要辅料，同时也会给CBGA的可靠性带来一些新的失效风险点，因此，合理的选择底部填充胶，对产品可靠性有很大影响[5]。

5.结论

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（1）在有铅回流工艺的基础上，进行优化炉温曲线，将峰值温度进一步提高到233℃时，Pb呈点状均匀分布在焊点中，焊点的混合均匀程度良好，同时，优化后的炉温曲线也能适用于有铅焊点以及有铅/高铅的混合焊接过程中；

（2）有铅/高铅焊点失效模式为Sn63Pb37有铅锡膏位置发生焊点断裂，最终导致焊点失效，有铅/无铅混合焊点的失效模式主要为焊点的顶部或底部与焊盘结合界面处发生开裂失效，失效界面为Pb相和Sn相之间的沿晶裂纹；

（3）底部填充胶封装 CBGA 焊点，可将芯片与基板黏成一体，减少热循环过程中的相对移动，缓冲并释放因冲击在焊点上所产生的应力，从而增强焊点的疲劳寿命，但底部填充胶也会给CBGA的可靠性带来一些新的失效风险点，因此，合理的选择底部填充胶，对产品可靠性有很大影响。

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通过提高峰值问题和延长液相停留时间等参数进行优化，得到适用于有铅/无铅焊点的混装炉温曲线，可以保证焊点的完全混合

beth009

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