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《Intel公司对混合合金焊点的可靠性试验和评估》

  • 来源专题：数控机床与工业机器人
  • 编译者： icad
  • 发布时间：2019-04-23

  • 一、试验样品Intel公司组织的试验中使用了以下两个高密度组装测试板。

    （1）VFBGA封装。VFBGA封装如图1所示。硅芯片通过绑定连接到极薄的基板上。试验所用的VFBGA，总封装高度是1.0mm，间距0.5mm，植球之前量得的锡球直径是0.3mm。图1 0.5mm间距的VFBGA封装图示（2）SCSP封装。SCSP封装如图2所示，是一个塑模BGA封装，可以装入两个或更多的CSP芯片。这种堆叠式封装的总封装高度是1.4mm，间距0.8mm，植球之前量得的锡球直径为0.4mm。图20.8mm间距的SCSP这项评估使用的PCB板材是6层（1+4+1，中间4层，表面2层）FR4，在树脂覆铜表面制作微孔。PCB总厚度为0.8～1.0mm。在这项研究中，使用了两种表面涂层，即ENIG Ni/Au和Entec?Plus OSP。每块板上有10个元件单元。1～5单元的印制板表面安装焊盘100%的都带过孔，6～10单元是无过孔表面安装焊盘。封装侧的焊盘覆有电解镍和沉金，焊盘之间用阻焊膜图形隔开。

    二、组装工艺和实验设计（DOE）实验板通过表面安装技术将封装连接在基板上。所有组装好的板子都在X-射线检测设备上进行开路和短路测试。在板子发回Intel之前，对每个元件进行了电气连通测试，对失效元件作了记号。表1所示是为VFBGA和SCSP元件建立的实验设计矩阵（仅列出向后兼容类型）。表1 实验DOE注：BWC表示逆向兼容性（钎料球为SAC的BGA，用SnPb焊膏连接的封装）；FWC表示正向兼容性（钎料球为SnPb的BGA，用SAC焊膏连接的封装）；铅对照表示封装是SnPb钎料球的BGA，用SnPb焊膏连接。在这个实验设计矩阵中，之所以选择如表所列的测试基准，其原因叙述如下。

    （1）板面处理：研究中考察了两种表面处理：●ENIG Ni/Au；●Entec?Plus OSP。

    （2）焊点合金组分：●BGA钎料球是无铅钎料（SAC405），焊膏中合金成分为SnPb；●对照组采用OSP芯片封装侧的焊盘合金是电解镀镍和闪金。

    （3）再流温度：研究中比照了两种曲线，即●保温型曲线：起始阶段温度升到一个预定值，然后在这个温度下保持一段时间，以蒸发掉焊膏中的挥发性成分，同时使板上的横向温度达到均衡。均温段之后，温度继续上升到钎料熔化段。用于典型的锡-铅板组装。●斜坡式曲线：完全没有上述的均温段。当要求再流炉提供较高的产能时采用这种曲线。

    （4）峰值温度：实验中分别采用了两个不同的峰值温度。●峰值温度为208℃，再流时芯片SAC钎料球（熔点为217℃）不会完全熔化或坍塌。●峰值温度为（222+4）℃，再流时芯片SAC钎料球会熔化或坍塌。

    （5）液相时间（TAL）：设计了两个不同的TAL（183℃以上）值。●较短的TAL是60～90s，有利于提高再流炉产能，但由于熔化时间短，可能不利于钎料成分达到完全均质。●较长的TAL是90～120s，能提供充足的时间，使钎料球内的钎料成分达到完全均质，以避免产生元素偏析。

    三、试验项目1跌落试验

    （1）试验条件。落体试验对象是板级，而非系统级，试验采用0.43kg的金属载体，从1.5m的高度落到橡胶平台上，PCB只在4个角上用螺钉进行固定。测试时落体采用板面朝下这一最严格的情况进行。试验次数达到50次以上，直到失效。落体测试装置如图3所示。为了得出每种工艺条件下的平均失效时间，对测试结果作了统计分析计算。图3 落体测试装置

    （2）试验结论。SCSP和VFBGA封装的落体失效统计分析结果，对所有项目的平均落体失效都与对照组（SnPb钎料球的BGA用SnPb焊膏连接在OSP板上）进行了比较。●SCSP封装情况下，所有OSP板上的组件的平均落体失效率都比对照组高，而在ENIG Ni/Au板上的焊点则要比对照组低得多。●VFBGA封装情况下，所有ENIG Ni/Au板上的焊点（SAC钎料球用SnPb焊膏焊接）都比对照组稍差，仅有一项差一点达到目标，此项实验的工艺条件是208℃峰值温度，TAL为60～90s的均温式曲线。其他多数OSP板上的VFBGA组件都比对照组好，但有一项稍差，工艺条件是208℃峰值温度，TAL为60～90s的斜坡式曲线。●斜坡式曲线、较低的峰值温度和较短的液相时间（30～60s）将导致所评估的两种封装的焊点不可接受。图4展示的是一个缺陷焊点的剖面。涂上去的焊膏已经再流，但没有熔合形成一个连续的焊接点。图4 峰值温度208℃/TAL 60～90s斜坡曲线形成的焊点2 温度循环试验温度循环测试仿效产品在实际使用过程中，作用于封装和互连的热机械应力进行。温度循环采用-40～125℃，30min为一个周期，高低温转换时间不到2min。每隔250个周期检测一次温度，记录室温和低温读数。根据试验结果得出的失效数据作出威布尔分布。测试持续时间为典型的1500～2 000个周期。测试目标是在800个周期内，威布尔分布置信度95%的前提下，失效率小于5%。图5 各种工艺条件下SCSP和VFBGA封装在800次温度循环周期（-40～125℃，30min循环一次）的失效率（累积失效百分比）图5显示了威布尔分布图（95%置信度）在800个周期时的总失效率。SCSP和VFBGA封装对照组的失效率都没有达到800周期小于5%的目标。而SCSP封装的SAC钎料球用SnPb焊膏在OSP板上的焊点，在DOE中所有工艺条件下都达到了目标。VFBGA组件也仅有一项实验离目标稍差一点，那个焊点是在208℃峰值温度，TAL为60～90s的斜坡式曲线下完成的。在ENIG Ni/Au板上，焊点随工艺条件的变化没有显示确定的趋势。与SCSP封装相比，VFBGA封装的总失效率较高，尤其是在208℃峰值温度，TAL为60～90s的斜坡式曲线下。.

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    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2023-02-01
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