BGA封裝循環彎曲試驗與溫度循環試驗的關系

張筌鈞

（宜特科技股份有限公司，臺灣 新竹 30072）

1 引言

一般被應用來評估焊點老化效應的測試方法都使用循環彎曲試驗（cyclic bending test）與溫度循環試驗（thermal cycle test）。在以往的一些文章研究當中發現這兩種失效機構是相似的。基于這個因素，此文章將以壽命預測的觀點去探討兩種試驗方法的關系，透過疲勞壽命與應變結果去研究其關聯性，并針對試驗后所產生的失效模式觀察彼此是否相符合。

文章將使用0.5 mm 間距（pitch）TFBGA封裝元器件去研究其焊點疲勞期間的應變變異效應，使用表面焊點的疲勞壽命作為研究的重點，透過電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察分析失效機構的微結構并以聚焦離子束顯微鏡（Focused Ion Beam，FIB）對金屬晶格進行分析。

循環彎曲試驗與溫度循環試驗在不同條件下的疲勞壽命預估，將使用應變壽命預估方法。此方法將根據Coffin-Manson方程式去預估無鉛焊點疲勞壽命，在這兩種測驗方法的應變變化大小與疲勞壽命關系曲線上研究他們的相關性。組件上板后在循環疲勞試驗中不同條件下的行為表現當作評估應變形變與疲勞壽命的基礎，來求出焊點可靠性預估的最佳實驗設計。

Coffin-Manson方程式中的應變值計算是循環疲勞性測試剪應變變化量。根據Coffin-Manson理論在低應變高循環彎曲試驗中，失效循環數2Nf與應用在循環塑性形變Δεp大小有關。疲勞延展性測試必須包含相對一個循環的相關應變量， 以Δεp/2表示，相關方程式為Δεp/2= εf（2Nf）c。此研究中將建議以Coffin-Manson 規則中的潛變疲勞壽命預估模型去建立新的損壞機制函數，使用此損壞機制函數我們可以了解到在潛變疲勞測試中不同等級的壽命跟應變變化量的關系，畫出Coffin-Manson方程式曲線。根據疲勞壽命跟應變變化量關系曲線，去研究循環彎曲試驗與溫度循環試驗之間的關系，從而發現新的有效率的測試方法。

在實際應用中，手持式產品會遇到一些環境效應，像是溫度與機械應力。焊點可靠性總是考慮產品可靠性的主要因子，有很多文章報告已經完成對電子封裝板級可靠性在溫度與機械應力下的研究。一般電子封裝板級可靠性在0～100℃溫度循環條件下驗證時間大約需半年，為了縮短驗證時間，表面焊點疲勞壽命預估的方法將被研究。此研究中將使用TFBGA封裝經再流焊制程上板后的試驗樣品。業界想發展快速又縮短時間的方法去仿真溫度循環試驗，像是機械性推力疲勞試驗、四點循環彎曲試驗等。文中使用的是在高溫環境下四點循環彎曲試驗來當做快速的機械疲勞性驗證方法，為了能仿真溫度循環的溫度效應，特別設計四點循環彎曲試驗在高溫環境下執行且在印刷電路板面上位于封裝的角落地方測量應變來測量高溫效應狀況。

在此研究中將對0.5mm間距無鉛TFBGA的封裝樣品，在循環彎曲試驗與溫度循環試驗下的焊點疲勞壽命去探討其關聯性。循環彎曲試驗將以應變為測試條件，其條件將參考溫度循環試驗應變量測結果為依據。有系統實驗計劃的實施將對上板樣品在循環彎曲試驗與溫度循環試驗下的效應做比較，這比較將針對不同的印刷電路板材料（有鹵與無鹵材料）在循環彎曲試驗與溫度循環試驗的不同壽命與應變變化量。

2 試驗

2.1 試驗樣品制作

試驗樣品是12 mm×12 mm 0.5mm間距的TFBGA封裝，有244顆焊球。 焊球材料是SnAg1.0Cu0.5，助焊劑應用于無鉛焊接制程，焊膏使用SnAg3.0Cu0.5，再流焊溫度峰值在240℃～245℃。再流焊完后將使用x射線檢測缺失，像是孔洞及短路等等，所有組件將執行電性測試偵測開路與短路。

試驗測試板尺寸為132 mm×77 mm×1 mm標準八層板，依JESD規則去布局，每片測試板焊上一顆組件，如圖1所示， 經由菊花鏈設計去偵測焊點阻值。

2.2 實驗條件設計

循環彎曲實驗計劃如表1所示，而溫度循環試驗則如表2所示。循環彎曲試驗在高溫環境下主要是仿真溫度循環試驗的高溫效應，循環彎曲試驗測試條件是依據在溫度循環試驗下的應變量測值而定。應變量測位置在封裝角落的焊點如圖2所示，BGA封裝在循環彎曲試驗中，角落焊點較邊緣中心焊點失效快。從有效元分析顯示，主要是封裝角落位置所受形變較大，設計循環彎曲試驗應變量測位置即根據發生最大應變變化量的焊點，如圖3所示。

表 1 循環彎曲試驗實驗計劃

單軸應變片粘貼于印刷電路板上， 試驗計劃中的試驗執行直到焊點失效為止，后記錄其失效循環數。

循環彎曲試驗設置如圖4所示，測驗參數見表1。表1中一些參數是參考JESD標準用應變變化量代替循環彎曲試驗位移條件，而起始下壓行程則依溫度循環試驗應變量測結果而定，其他應變變化量為預估曲線而設計。

2.3 根據Coffin-Manson方程式預估壽命

關于機械疲勞，Darveaux和Syed發現總應變能量密度對焊點損害是一個很好的參考依據，且與Coffin-Manson方程式（如式1）有很好的失效關系。

式1中Nf表示樣本的特征壽命，C及γ是材料特性常數，Δε是彎曲試驗的應變變化量。

使用應變控制的彎曲試驗，在測試過程中的應變變化量是一個常數，所以可以將量測數據放入Coffin-Manson方程式中然后去預估樣品壽命。

3 實驗結果分析與討論

3.1 壽命結果與分析

溫度循環試驗應變量測結果如圖5所示。應變變化量計算方式是高溫的平均應變值減低溫的平均應變值，從結果可發現無鹵印刷電路板應變變化量大于有鹵印刷電路板 。

在高溫環境循環彎曲試驗與溫度循環試驗的韋伯分布曲線下，當樣本累積失效達63.2%時為其特征壽命。溫度循環試驗特征壽命結果如圖6所示（無鹵是2152循環，有鹵是2127循環），而循環彎曲試驗特征壽命結果則顯示于表3，從圖7的壽命結果可以看出在相同應變變化量下無鹵印刷電路板在循環彎曲試驗中的壽命約三倍于溫度循環試驗 。

根據壽命結果，由Coffin-Manson方程式可求出循環彎曲試驗壽命預估模型，結果如下：

（1）無鹵印刷電路板在高溫125℃下循環彎曲試驗壽命預估模型為Nf（63.2% Pr.）=1×1015（Δε）-3.7324；

圖6 溫度循環試驗特征壽命結果

表3 不同應變條件循環彎曲試驗特征壽命結果

圖7 無鹵印刷電路板在兩種試驗中的壽命比較

從循環彎曲試驗壽命預估模型可求出仿真溫度循環試驗的循環彎曲試驗應變條件，無鹵印刷電路板條件大約為1310με而有鹵印刷電路板為1496με，所以針對TFBGA封裝型態搭配SnAg1.0Cu0.5焊球，無鹵印刷電路板循環彎曲試驗條件可設定為1300±50με，有鹵印刷電路板則為1500±50με，去模擬條件為-40℃～125℃的溫度循環試驗。

圖8 循環彎曲試驗的壽命與應變變化量關系曲線

3.2 印刷電路板硬度評估

印刷電路板硬度影響印刷電路板應變變化量及板級彎曲試驗的壽命，參點彎曲試驗提供驗證在彎曲效應下彈性模量值以Ef（彎曲模量）所示。三點彎曲試驗主要好處是對樣品的制備與測試變的容易得多。然而此測試方法也有不利之處，測試方法的結果對樣品與載荷幾何形狀及應變率很靈敏。Ef（彎曲模量）計算式如下：

公式各參數如下：

Ef= 彈性彎曲模量/MPa；

L= 支撐跨距/mm；

b= 測試棒寬度/mm；

d= 測試棒深度/mm；

D =測試棒中心最大載荷撓度/mm；

m=載荷撓度曲線初始直線梯度(如斜率，P/D)/N·mm-1。

三點彎曲試驗中設計測試棒中心最大載荷撓度為4mm，無鹵與有鹵印刷電路板的彎曲模量結果如表4與圖9所示。

表4 不同印刷電路板的彎曲模量結果

從結果可得無鹵印刷電路板較有鹵印刷電路板更硬，所以無鹵印刷電路板循環彎曲試驗壽命較有鹵印刷電路板短。

3.3 紅墨水分析結果

紅墨水分析方法是用來觀察失效位置的，在此研究中只發現一個失效位置，就在元件端發生斷裂處，如圖10所示。在圖11中，不同應變條件的循環彎曲試驗與溫度循環試驗失效位置分布統計發現，其失效也是在元件端位置。

3.4 光學與電子顯微鏡觀察分析

在實驗設計中，循環彎曲試驗與溫度循環試驗的失效是靠近元件端焊球斷裂，在此研究中IMC層厚度并無明顯增加，結構如圖12。比較循環彎曲試驗與溫度循環試驗的失效模式，在相同的應變變化量下發現它們是相似的，如圖13所示。在圖14的電子顯微鏡觀察分析中，在模擬與溫度循環試驗近似的循環彎曲試驗的測試條件做比較，發現兩種測試方法的失效模式也是相似（元件端焊球斷裂）。

4 結論

（1）無鹵印刷電路板與有鹵印刷電路板搭配SnAg1.0Cu0.5的TFBGA封裝在-40℃～125℃的溫度循環試驗下的壽命相似；

（2）在高溫125℃下循環彎曲試驗壽命預估模型，無鹵印刷電路板為Nf（63.2% Pr.）=1×1015（Δ ε）-3.7324，有鹵印刷電路板為Nf（63.2% Pr.）=2×1025（Δε）-6.8886。

（3）印刷電路板硬度是影響循環彎曲試驗壽命的因子；

（4）從循環彎曲試驗壽命預估模型，可針對TFBGA封裝型態搭配SnAg1.0Cu0.5錫球，無鹵印刷電路板循環彎曲試驗條件可設定為1300±50 με，有鹵印刷電路板則為1500±50με，去模擬條件為-40℃～125℃的溫度循環試驗；

（5）循環彎曲試驗與溫度循環試驗的失效模式是相似的。

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