BGA焊點剪切性能及界面結構的研究

李曉明 馮波 任康

摘 要： 目前BGA器件越來越廣泛地應用在電子產品上。電子產品正朝向輕量化、便攜化等方向發展，對BGA技術進行研究升級也迫在眉睫。BGA封裝因為其順應目前電子產品輕量化、便攜化的發展趨勢，被越來越多的企業應用到焊接工藝中。元器件是否可靠的關鍵在于焊點的剪切性能。文章通過研究BGA焊點剪切性能和界面結構，提出幾點建議。

關鍵詞： BGA焊接;剪切性能;界面結構

隨著人民群眾生活的物質水平越來越高，電子產品逐步向輕量化、便攜化等方向發展，對電路組裝技術以及input/output引線數的技術水平要求也逐步提高。為了提高BGA焊接后的焊點質量和可靠性，文章就改善BGA剪切性能以及其界面結構進行研究。

1 BGA簡介

BGA的全稱是Ball Grid Array（球柵陣列），它是集成電路采用有機載板的一種封裝法。BGA技術的優勢是增加了input/output引腳數，且焊接成品率相對較高。與周邊引線IC器件相比，BGA器件的厚度相對較小，從器件基板到印制板焊盤之間的引線距離減小，這不僅減小了寄生參數，而且降低了信號延遲。器件是否可靠關鍵在于焊點是否擁有較高的抗剪切性能。文章對BGA焊點抗剪切性能及界面結構進行了深入分析。

2 實驗分析

2.1 Sn Ag Cu/Cu焊點時效前后的剪切強度

用均勻射流斷裂法生成Sn-3.8Ag-0.7Cu-xRE（x=0，0.1%，0.25%，O.5%，質量分數，下同）BGA微焊球。設定操作溫度為 250℃，噴嘴直徑為0.2mm。試驗具體操作如圖1，板厚為05mm， 焊盤直徑為0.6mm焊盤下金屬為。Au/Ni（P）/Cu，厚度分別為25～32/10～15/0.5μm。把第一次回流的基板倒放在另一塊基板上，建議實驗的時候在兩接頭之間放入等高墊片，模具進行第二次回流操作，這樣可以確保焊球塌陷后的高度保持一致。

使用LLOYD系統-LRX微拉伸試驗機分別以0.001，0.01，0.5mm/s速率對焊點進行剪切試驗。對于每種成分、每種剪切條件分別進行20次試驗，拉斷后用顯微鏡進行拉伸結果觀察。測量10次試驗的平均值，之后計算標準平均差和標準偏差。保留拉斷后的接頭，用專業顯微鏡觀察實驗過后的截面情況。

2.2 實驗結果分析

一般情況下焊點經過一次回流焊和兩次回流焊肉眼看不出太大差別，但是在專業的顯微鏡下還是能看出纖維組織有一定差別的。圖2為Sn-3.8Ag-0.7Cu（SAC）焊點顯微組織。經EDX分析可知，此層化合物由Cu∶Ni∶Sn=25.93∶28.45∶45.62組成，可確定為（Cu，Ni）6Sn5。

當釬料內部的稀土化合物成片狀、不聚攏時，表明稀土含量>0.25%。在焊接過程中，RE原子的表現會吸附在晶界處，所以液態合金的狀態很少有晶體的存在，RE元素極少，稀土相形式表明存在RE只有少量，分布于晶界處。

3 時效焊點對界面組織結構的影響

在電子封裝結構中，焊點為各級互聯提供了電傳導性和機械穩定性。焊點是否可靠取決于IMC層。改變焊點機械性能的有效方法，就是改變焊點的顯微組織。因此研究釬料與金屬界面之間IMC層，形成機理及生長動力學非常之必要，這將有利于從根本上改善焊點的質量。

為研究釬焊界面IMC層在實際服役過程中的生長演變規律，本文在160°C分別進行100h、200h等溫時效試驗，并對界面IMC厚度進行了測量，使用origin軟件將測量的IMC層厚度數據作圖，如圖3所示。

相同直徑焊點界面IMC厚度隨著時間的加長在不斷增大。這是由于焊點在老化過程中，Cu原子能不斷地獲得能量，然后基板的Cu開始向焊料中擴散，焊料中的Sn原子同樣獲得能量，向基板方向靠近，因此在界面形成的IMC增厚趨勢，界面扇貝狀的化合物變得平緩，其重要因素是時效的增長。

4 結論

（1）微量RE（>O.25%）焊點的塑性和強度大大降低。

（2）如果想提高焊點的強度和塑性可以適當改變焊接速率。

在當今這個信息瞬息萬變的時代，要做好信息的收集和技術的升級換代工作。不僅要提升我國的電子技術水平，更要向世界先進技術學習，取之精華。文章中對于研究BGA焊點剪切性能以及界面結構的研究，可以為BGA元器件焊接提供參考和依據。

參考文獻：

[1]谷柏松.BGA焊點剪切性能及界面結構的研究[D].哈爾濱理工大學，2013.

[2]朱奇農.電子封裝中表面貼裝焊點的可靠性研究[D].中國科學院上海冶金研究所，2000.