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CBGA组装焊点疲劳损伤的显微组织分析
  2022-08-03      8

文章来源: SMT技术网

摘要:

    温度环境试验过程中CBGA组装焊点出现开裂现象,行业内的观点认为失效机理是由于大尺寸陶瓷封装和PCB板的热膨胀系数(CTE)失配导致的焊点疲劳损伤,从材料微观组织演变的角度研究焊点失效机理的讨论还较少。研究了CBGA组装焊点在不同周期温度冲击试验过程中出现的焊点开裂现象,利用扫描电镜、透射电镜等先进微观分析仪器进行微观组织分析,从晶界、晶相的角度研究焊点损伤的微观机制,研究不同试验周期下焊点开裂的微观组织演变过程,结果显示焊点开裂的微观原因与焊料内部的Pb偏析、晶粒粗化和沿晶断裂、材料蠕变引起的晶相位错等因素有关。

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关键词: CBGA;Pb偏析;晶粒粗化;蠕变;位错

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01 引言

    航空航天用集成电路产品的高密度、大尺寸和高可靠性的需求,促使CBGA、CCGA等高密度封装得到了快速发展,但由于高密度封装在结构、工艺和材料等方面发生的变化,高密度陶瓷封装在板级组装、环境试验过程中出现焊点开裂损伤的现象变得较为常见[1-11]。

    现阶段,很多整机单位针对焊点开裂及其解决方案都开展了大量的研究,已有相关的文献、报道从试验和仿真模拟方面做了相应验证工作[1-8]。目前针对在环境试验过程出现的焊点疲劳开裂现象及模拟验证,表明陶瓷壳体和PCB板的热膨胀系数(CTE)失配导致了焊点疲劳损伤[4-9],对于更深层次的焊点开裂机制特别是从材料微观组织角度开展讨论的还比较少[4]。

    本文以CBGA封装的组装焊点在温度冲击过程出现的焊点损伤现象为研究对象,通过分析不同试验周期下焊点疲劳损伤的演变过程,从晶体、晶界、晶相角度研究焊点疲劳损伤、开裂的微观组织演变过程。

02 微观分析工具

    在微观组织分析过程中,扫描电镜、能谱仪和透射电镜是进行材料分析不可缺少的工具。

    扫描电子显微镜是微米级、亚微米级尺度表面形貌观察的最常用工具,可以获得优秀的样品表面形貌像和成分像,能谱仪则用于定量定性分析晶相微观组织的元素组成和分布。

    透射电子显微镜可以实现纳米级分辨率,而位错是晶体材料内部常见的一种纳米级微观缺陷[12,13],利用透射电镜对材料进行位错研究,能够有效区分有位错存在的区域和正常晶相区域,形成优秀的衬度反差像,这是利用透射电镜观察位错、晶相等微观组织结构的基本原理。

03 试条件和结果

3.1样品选择

    试验样品选取具有较高代表水平的CBGA717高密度封装,封装大小为35mm×35mm×3mm,CTE约5×10-6/℃~6×10-6/℃,BGA焊球大小0.75mm,焊球节距为1.27mm,焊球材料为Pb90Sn10,焊料为共晶Pb63Sn37,焊点外形见图1,焊点尺寸见图2。

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图 1CBGA焊球外形

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 图 2焊点尺寸

试验用PCB板材选择FR4,PCB板的标准大小为60mm×60mm×2mm,其CTE大小为9×10-6/℃~12×10-6/℃,CBGA与PCB板之间的焊料为共晶Pb63Sn37,组装后的试验板见图3,组装后X射线检查照片见图4,焊点的光学检查照片见图5。

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图 3组装后的试验板            图 4X射线检查           图 5焊点的光学检查3.2 试验条件

温度冲击范围为-55~125℃,每段温度的保持时间为30min,循环次数500次,温度曲线如图6所示。

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图6温度冲击曲线

3.3试验结果

将经历100、300和500次温度冲击后的样品在体视显微镜下进行观察,发现100次温度冲击后CBGA封装最外围顶角处的焊点已发生形变,见图7;在300次温度冲击后,临近顶角处附近的几个焊点也出现裂纹,见图8;500次后CBGA封装整个外围焊点几乎全部出现严重开裂现象,见图9。

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图 7 100次温冲后焊点形变     图 8 300次温冲后焊点出现裂纹     图9 500次温冲后焊点开裂

取300次温度冲击试验后的器件进行红墨水染色,用机械法从PCB板上撬下陶瓷管壳,焊点染色照片(局部)见图10,图11为根据开裂的严重程度(染色面积)绘制的相应Mapping图。

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图 10 400次温冲后焊点染色照片(1/4区域)

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图11焊点开裂对应的Mapping图(1/4区域)

04 分析

    从温度冲击试验结果可以看出,外围焊球发生形变和开裂的程度比中心处焊点严重;在同一排焊球中,靠边角的焊球开裂程度比中间区域严重;同一焊球上,裂纹从焊球外侧向内发展,这些现象在模拟仿真的力学分析过程中也得到验证[1-3,6,7-9]。另外进一步的扫描电镜微观组织分析发现,除了存在以上宏观裂缝外,在陶瓷管壳侧的金属间化合物(IMC)层与焊料交接处可见微裂纹存在。

本文从铅锡共晶焊点内部的Pb偏析[14]、晶粒粗化和沿晶断裂、材料蠕变和位错等方面开展讨论,分析微观组织的演变过程与温度冲击试验过程中CBGA焊点根部发生宏观变形、开裂现象的相关性。

4.1 Pb偏析

通过纵向切片制样,获取焊点中心附近的剖面,在扫描电镜背散射探头的成分像下可以发现宏观裂纹起始于靠近管壳的一侧,并由焊球外侧(封装外部)向内发展,见图12、图13和图14。

其中图13为低循环次数的温度冲击后的焊点切片,可见有裂纹沿着背散射图像中较亮材料的边界萌生,经EDS能谱分析,较亮材料成分为Pb,见图15。这是由于Pb63Sn37共晶焊料中的Pb在焊接和温度冲击过程中发生偏析富集,形成低熔点脆性相,成为焊点破坏的起点,并提供了疲劳裂纹易于扩展的途径。图14为沿富Pb区扩展后的宏观缝纹。

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图 12焊点开裂 图13裂纹的萌生 图14裂纹发展为宏观裂缝       图15Pb偏析的EDS能谱分析

4.2晶粒粗化和沿晶断裂

共晶Pb63Sn37焊料的熔点Tmelt≈183℃,温度冲击试验的温度范围为-55~125℃,高温段远远大于0.3Tmelt,焊点材料在温度应力作用下发生蠕变。在温度冲击过程中CBGA陶瓷封装和PCB板材间的CTE失配,引起焊点上下位置伸缩量不一致,在焊球根部发生更为明显的材料蠕变和疲劳损伤现象,材料组织内部晶粒在拉伸、压缩过程中出现晶粒粗化,粗化的晶粒边缘是结构的薄弱部位,随着晶界边缘空洞萌生、裂纹出现并沿晶界扩大、断裂,最终在宏观上表现为焊点开裂。

图16为晶粒粗化和裂纹发展的演示图[15],在图17中间区域可以清晰地看到Sn晶粒的边界,这些晶粒边界清楚,并伴有裂纹萌生,晶粒边界是这个区域的薄弱点,也是裂纹扩展的主要途径。

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图 16晶粒粗化和裂纹发展

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 图 17粗化的晶粒

4.3材料蠕变和位错

在共晶Pb63Sn37焊料熔点0.3~0.9Tmelt的范围内,在机械应力和温度应力条件下,位错迁移是引起蠕变的主要原因[13]。其中,在0.3Tmelt~0.5Tmelt的情况下,晶粒间位错引起晶体点阵滑移以及晶界滑动,发生沿晶蠕变,促使晶粒粗化,在位错作用下通过聚合形成微裂纹;在>0.6Tmelt的情况下则发生延伸性蠕变,这种蠕变过程伴随着晶体的动态再结晶过程,在晶粒内部不断产生细小的晶粒,并由于存在位错而萌生细碎的微裂纹。

图18的透射电镜照片中,位于IMC层与焊料交接处的区域(红色箭头区)存在大量微粒纹,下方晶粒晶界处有长位错墙存在。通过更大倍率观察,可见微裂纹区存在比正常晶粒更小的细微晶粒,并伴有大量位错存在,见图19箭头处。

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图 18位错作用形成微裂纹 

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图 19微裂纹区的细小晶粒和位错

05 结论

    本文研究了CBGA封装在板级组装后温度冲击试验过程出现的焊点开裂现象,分析了不同试验周期下焊点变形、开裂的演变过程,利用扫描电镜、透射电镜等先进微观分析仪器进行材料学晶相分析,从晶体、晶相角度研究引起焊点疲劳损伤、开裂的微观组织演变过程。

通过对不同试验周期下焊点微观组织的显微分析,焊点开裂的演变过程与共晶焊料内部的Pb偏析、晶粒粗化和沿晶断裂、材料蠕变以及位错等因素有关。焊点内部的Pb偏析富集的脆性相使之成为焊点开裂的起点;焊点与基板间IMC层内由于材料蠕变产生位错而引发细碎微裂纹;焊点根部材料蠕变过程中的应力使得临近IMC层的焊料晶粒粗化,晶粒边缘成为晶界间的薄弱部位,最终发生沿晶断裂成为宏观裂纹发展的途径。

参考文献:

[1]任辉,杨邦朝,苏宏,等.BGA焊点的失效分析及热应力模拟[J].可靠性与质量控制,2005:389-403.

[2]王尚,田艳红,等.CBGA器件温度场分布对焊点疲劳寿命影响的有限元分析[J].焊接学报,2016,37(11):113-118.

[3]杨玉平.CBGA热力耦合失效的实验研究和有限元分析[D].北京:首都师范大学,2002.

[4]薛松柏, 胡永芳, 禹胜林. CBGA焊点热循环条件下的可靠性[J].焊接学报,2005,20(10):81-84.

[5]王薇,王中光,等.CBGA结构热循环条件下无铅焊点的显微组织和断裂[J].金属学报,2006,42(6):647-652.

[6]杨平,沈才俊,秦向南,等.不同基板的CBGA焊点在热循环下的力学特性研究[J].微电子学,2008,38(1):104-107.

[7]卜莹,孙轶,冯倩.大尺寸CBGA高铅焊接在温度冲击下焊点可靠性的研究[J].科技创新,2017,2:10-19.

[8]顾永莲.球栅阵列封装焊点的失效分析及热应力模拟[D].成都:电子科技大学,2005.5.

[9]邵宝东,孙兆伟,等.陶瓷球栅阵列封装热致疲劳寿命分析[J].哈尔滨工业大学学报,2007,39(10):1625-1630.

[10]陈莹磊.高密度大尺寸CCGA二级封装可靠性分析及结构设计[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.7.

[11]孙轶,何睿,班玉宝,任康.陶瓷焊球阵列封装可靠性研究与试验分析[J].航空科学技术,2014,25(8):87-90.

[12]张联盟,黄学辉,宋晓岚.材料科学基础[M].武汉:武汉理工大学出版社,2008:105-133.

[13]恩云飞,谢少峰,何小琦.可靠性物理[M].北京:电子工业出版社,2015:289-298.

[14]樊融融.现代电子装联工艺可靠性[M].北京:电子工业出版社,2012:471-474.

[15]罗道军,贺光辉,邹雅冰.电子组装工艺可靠性技术与案例研究[M].北京:电子工业出版社,2015:318-324.

作者简介:虞勇坚(1978—),男,江苏丹阳人,硕士,高级工程师,主要从事半导体集成电路可靠性分析工作。

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