板级跌落试验下BGA焊球的疲劳裂纹行为研究

BGA焊球内部裂纹的生长是跌落可靠性试验中焊球失效的根本原因.比较和研究了无铅及有铅焊球在板级跌落试验下疲劳裂纹的行为.通过跌落试验获得了BGA焊球在不同加速度水平下的平均寿命,接着在同一加速度水平下跌落不同次数,使用荧光染色法观察焊球内部裂纹的生成和扩展行为,得到无铅及有铅BGA焊球内部裂纹随跌落次数增加的不同生长规律.根据观察结果分析和讨论了跌落试验下裂纹随跌落次数增加时的扩展行为及其原理,进一步阐明了BGA焊球的失效原因和失效机制.     

弯曲应力状况下微型BGA封装可靠性比较研究

微型球栅阵列（μBGA）是芯片规模封装（CSP）的一种形式,已发展成为最先进的表面贴装器件之一。在最新的IxBGA类型中使用低共晶锡．铅焊料球,而不是电镀镍金凸点。采用传统的表面贴装技术进行焊接,研讨μBGA的PCB装配及可靠性。弯曲循环试验（1000～1000με）,用不同的热因数（Qη）回流,研究μBGA、PBGA和CBGA封装的焊点疲劳失效问题。确定液相线上时间,测定温度,μBGA封装的疲劳寿命首先增大,接着随加热因数的增加而下降。当Q。接近500S·℃时,出现寿命最大值。最佳Qη范围在300-750s·℃之间,此范围如果装配是在氮气氛中回流,μBGA封装的寿命大于4500个循环。采用扫描电子显微镜（SEM）,来检查μBGA和PBGA封装在所有加热N数状况下焊点的失效。每个断裂接近并平行于PCB焊盘,在μBGA封装中裂纹总是出现在焊接点与PCB焊盘连接的尖角点,接着在Ni3Sn4金属间化合物（IMC）层和焊料之间延伸。CBGA封装可靠性试验中,失效为剥离现象,发生于陶瓷基体和金属化焊盘之间的界面处。     

热循环条件下空洞对PBGA焊点热疲劳寿命的影响

球栅阵列(ball grid array, BGA)封装器件的广泛应用使空洞对焊点可靠性的影响成为业界关注的焦点之一.采用非线性有限元分析方法和统一型粘塑性本构方程,以PBGA组装焊点为对象,建立了互连焊点热应变损伤的三维有限元模型,并基于修正的Coffin-Manson方程,分析了在热循环加裁条件下不同位置和大小的空洞对焊点疲劳寿命的影响.研究结果显示,位于原应力集中区的空洞将降低焊点疲劳寿命,基于应变失效机理,焊点裂纹易在该类空洞周围萌生和扩展;位于焊球中心和远离原应力集中区的空洞,在一定程度上可提高焊点的疲劳寿命.     

弯曲应力状况下微型BGA封装可靠性比较

文中采用传统的表面贴装技术进行焊接,研讨μBGA的PCB装配及可靠性。弯曲循环试验（1000με～-1000με）,用不同的热因数（Qη）回流,研究μBGA、PBGA和CBGA封装的焊点疲劳失效问题。确定液相线上时间,测定温度,μBGA封装的疲劳寿命首先增大,接着随加热因数的增加而下降。当Qη接近500s·℃时,出现寿命最大值。最佳Qη范围在300s·℃～750s·℃之间,此范围如果装配是在氮气氛中回流,μBGA封装的寿命大于4500个循环。采用扫描电子显微镜（SEM）,来检查μBGA和PBGA封装在所有加热因数状况下焊点的失效。每个断裂接近并平行于PCB焊盘,在μBGA封装中裂纹总是出现在焊接点与PCB焊盘连接的尖角点,接着在Ni3Sn4金属间化合物（IMC）层和焊料之间延伸。CBGA封装可靠性试验中,失效为剥离现象,发生于陶瓷基体和金属化焊盘之间的界面处。     

ESPI在板级BGA封装器件焊球失效检测中的应用

球栅阵列封装(BGA)综合性能好,广泛应用于表面贴装.采用电子散斑干涉(ESPI)离面位移光路,在简单机械加栽情况下,对板级组装BGA器件的离面位移进行测量,比较了完好BGA、焊球分层BGA与焊球脱落BGA器件的测量结果.发现焊球有缺陷样品的条纹形状与完好样品相比有明显的差别,ESPI条纹在失效焊点附近发生突变.通过计算ESPI的位移测量值后,可判断BGA焊点的失效位置.结合有限元(FEM)模拟,对位移异常的BGA焊点进行分析.通过将计算结果与ESPI的位移测量值比较,可判断BGA焊点的失效模式.     

倒装焊结构的大规模集成电路焊点失效机理研究

在倒装焊结构的球栅阵列（BGA）封装大规模集成电路（LSIC）的服役过程中,由于BGA焊球、基板材料和PCB材料的热膨胀系数不同,焊点失效成为倒装焊结构LSIC的主要失效模式。焊点失效与焊料性质、焊接时间和温度、制造中的缺陷等密切相关。结合焊点失效的常见形貌及实例,研究倒装焊结构的LSIC的焊点失效模式及失效机理。针对可能引发失效的因素,提出从工艺到应用的一系列预防措施,对提升该类型电路的可靠性具有指导意义。     

SAC105掺Ni焊球对焊接点强度与可靠性的影响

在内存封装领域,球栅阵列封装(BGA)由于具有高密度和低成本的特点而被广泛采用.在实际的使用过程中,由于遭受外界各种形式的机械负载和冲击造成器件失效,为了改善焊点的强度和可靠性,以SAC105(Sn985AgCu0.5)无铅焊球为参照制备出SAC105 Ni005焊球.为了研究两种焊球焊接点的可靠性与强度,采用焊球的快速剪切测试以及BGA器件的剪切测试方法来检测焊点强度,同时采用威布尔分析方法对两种焊球的热循环测试(TCT)结果进行分析.研究表明,SAC105 Ni0.05焊球比SAC 105焊球具有更长的温度循环可靠性预期寿命、更强的焊接点强度以及更低的脆性断裂的概率.     

基板焊盘的金属层结构对焊接点强度的影响

球栅阵列封装具有高密度、低成本的特点被内存领域广泛采用。在实际的使用过程中由于遭受外界各种形式的机械负载和冲击造成器件失效,典型的失效模式有5类,突出问题是焊点失效,而焊点破裂是失效的主要形式。为了改善焊点的强度,提出了焊球的快速剪切测试以及BGA器件的快速剪切测试方法来检测焊点强度,设计了4种不同金属层结构的基板焊盘,对比了不同基板焊盘的快速剪切强度和失效模式。通过数据分析和失效模式研究,证明含较厚铜层或者镍层的焊盘具有更强的焊接强度。     

无铅BGA封装可靠性的力学试验与分析

着重研究了机械冲击和应力对无铅BGA封装焊点可靠性的影响,介绍了BGA封装的可靠性力学试验(跌落、弯曲试验)及其分析方法.通过对力学试验中失效焊点的分析以及借助ANSYS模拟工具,找出引起失效的根本原因,为开发性能更好、高可靠性的无铅材料、改进无铅工艺提供依据.     

基于热循环与跌落冲击的BGA焊点可靠性研究

研究了BGA焊点在受到热循环冲击与跌落冲击综合作用下的可靠性,研究了基于不同热循环冲击条件下的电子产品的板级跌落寿命、失效机理与失效模式、断裂行为与Kirkendall空洞的关系。结果表明,有铅焊点比无铅焊点可靠性略高,弹性模量低的BGA与PCB制造材料耐热不耐跌落冲击,并提出了改善电子产品可靠性的办法。     

底部填充物对CSP-LED芯片抗跌落性能研究

为了提高芯片级封装发光二极管(CSP-LED)焊点疲劳寿命,利用有限元仿真软件ABAQUS模拟计算了CSP-LED芯片在跌落冲击载荷下焊点的塑性应变,并研究了裂纹拓展趋势。以焊点失效前跌落次数为指标,利用Coffin-Manson经验公式计算焊点寿命,研究了底部填充物对CSP-LED芯片在不同冲击载荷下焊点寿命的影响。结果表明,随着冲击载荷增大,焊点疲劳寿命减少,使用填充物能使芯片焊点寿命提高4~6倍,其影响通过跌落实验和仿真结果的对比得到了验证。     

随机振动下板级组件焊点可靠性研究进展

针对板级组件焊点在随机振动下的可靠性问题,对与之相关的实验研究成果和仿真结果进行了综述。首先介绍了球栅阵列(BGA)封装芯片焊点失效的位置,BGA焊点的材料以及BGA参数和印制电路板(PCB)参数对焊点可靠性的分析,并介绍了疲劳寿命预测方法和子模型法、特殊结构的随机振动分析。最后,提出了随机振动情况下的BGA结构的优化方法。     

低银无铅微互连焊点的振动疲劳行为研究

通过采用一系列与集成电路BGA(球栅阵列)、Flip Chip(倒装焊芯片)真实焊点体积接近的不同尺寸的典型“三明治”结构Sn0.3Ag0.7Cu低银无铅微互连焊点,基于动态力学分析的精密振动疲劳试验与微焊点疲劳断口形貌观察相结合的方法,研究了微焊点振动疲劳变形曲线的形成机制、裂纹萌生扩展与断裂机理、温度对振动疲劳行为的影响及微焊点振动疲劳行为的尺寸效应问题。结果表明,保持焊点直径恒定,随着焊点高度的减小,焊点的疲劳寿命增加,而疲劳断裂应变降低,同时焊点的疲劳断裂模式由韧性断裂转变为脆性断裂。     

无铅BGA焊点局部再结晶与损伤模式的研究

小型化、高性能的BGA无铅器件已成为现代高集成度电子产品的组装必需器件,在其服役过程中,会经历热循环,出现失效。使用扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射分析(EBSD)和显微硬度,对经历热循环BGA器件损伤模式进行了研究。得出结论:材料的热膨胀系数失配为裂纹萌生和扩展提供了驱动力,裂纹沿着钎料球内部弱化的局部再结晶晶界扩展,最终导致焊点断裂失效。     

BGA无铅焊点零空洞缺陷控制研究

在无铅BGA封装工艺过程中,通过不同组分的BGA焊球合金与焊膏合金组合焊接、焊膏助焊剂活性剂不同配比及其不同再流焊接条件等实验,对焊料合金和助焊剂配比、再流焊接峰值温度、再流保温时间等参数变化,以降低BGA焊点空洞缺陷进行了研究。结果表明选用相同或相似的BGA焊球和焊膏合金组合焊接、选用活性强的焊膏、选择焊接保温时间较长均有助于降低BGA焊点空洞缺陷产生的几率和空洞面积,BGA焊点最佳再流焊接峰值温度为240℃,当峰值温度设置为250℃时,BGA焊点产生空洞缺陷几率会比240℃高出25%～30%。     

温度与振动耦合条件下的电路板级焊点失效模式与疲劳寿命分析

基于正交试验法研究不同温度与振动耦合条件下的板级焊点失效行为与模式,采用L₉（34）混合水平正交表设计了不同温度（T）、加速度功率谱密度（PSD）与频率（V）条件下的加速寿命试验,结果表明三者对焊点可靠性影响程度为T>PSD>V,且温度是影响焊点失效模式的主要因素,随温度的升高,焊点裂纹逐渐从近封装侧的界面金属化合物（IMC）层向钎体内部扩展,焊点失效模式从脆性断裂向韧性断裂演化.基于焊点失效数据分析,发现焊点疲劳寿命对数值与PCB板背侧最大应变范围存在关联关系,并采用多项式拟合的方法建立了焊点疲劳寿命模型,拟合结果显示,该模型能较好的评估温度与振动耦合条件下的焊点寿命,预测精度较高.     

基于Anand模型的BGA封装热冲击循环分析及焊点疲劳寿命预测

BGA封装在电子元器件中的互连、信息传输等方面起着重要作用,研究封装元件的可靠性以及内部焊点在高温、高湿、高压等极限条件下的稳定性显得尤为重要。基于Anand模型分析了封装元件在热冲击下的塑性变形和应力分布,同时对不同空间位置焊点的最大应力与主要失效位置进行了对比,并运用Darveaux模型计算出焊点最危险单元的裂纹萌生、裂纹扩展速率和疲劳寿命。结果表明,在热冲击极限载荷下,封装元件的温度呈现对称分布,表面温度与内部温度差较大,约为15℃;最大变形为0.038 mm,最大变形位置为外侧镀膜处;最大应力为222.18 MPa,内部其余部分的应力值为20 MPa左右。对于内部焊点,最大应力为19.02 MPa (250 s),应力最大位置在锡球下方边缘,预估其疲劳寿命为6.29天。     

热疲劳载荷作用下不同成分BGA焊点可靠性

针对微电子组装中常见的BGA封装形式,对比采用3种不同成分的BGA焊球和焊膏组合(锡铅共晶焊球和锡铅共晶焊膏Sn63Pb37、Sn3Ag0.5Cu焊球和锡铅共晶焊膏以及Sn3Ag0.5Cu焊球和Sn3Ag0.5Cu焊膏)焊接得到的BGA焊接界面。经过不同周期的热疲劳试验后,在金相显微镜和电子背散射衍射下观察,发现Sn3Ag0.5Cu焊球和锡铅共晶焊膏混装形成的BGA焊点中黑色的富锡相均匀弥散分布在焊球内,在热循环载荷作用下极难形成再结晶,抗热疲劳性能最好。     

基于ANSYS/LS-DYNA板级焊点跌落分析

研究了不同跌落条件对板级焊点跌落时的应力变化影响。运用有限元软件ANSYS的LS-DYNA模块对电路板组件进行建模与跌落分析,比较不同跌落高度和不同刚性跌落面下板级焊点的应力变化。结果发现:通过LS-DYNA模块对电路板组件进行跌落仿真,能更加真实地反映出电路板组件的跌落情况。跌落后焊点的应力集中区域出现在焊点与靠近封装一侧的接触面边缘处,且跌落高度越高,焊点的最大应力值越大;接触面材料刚性越大,焊点应力分布越大,焊点越容易失效。     

热疲劳载荷作用下不同成分BGA互连焊点可靠性研究

本文针对微电子组装中常见的BGA 封装形式,对比采用三种不同成分的BGA焊球和焊膏组合（锡铅共晶焊球和锡铅共晶焊膏、Sn3Ag0.5Cu 焊球和锡铅共晶焊膏、以及Sn3Ag0.5Cu焊球和Sn3Ag0.5Cu焊膏）焊接得到的BGA 互连点,经过不同周期的热疲劳试验后,在金相显微镜和电子背散射衍射下观察,发现Sn3Ag0.5Cu焊球和锡铅共晶焊膏混装形成的BGA焊点中黑色的富锡相均匀弥散分布在焊球内,在热循环载荷作用下极难形成再结晶,抗热疲劳性能最好。