BGA焊点可靠性工艺研究
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由图９可见，焊球的剪切强度呈下降趋势，并 且开始下降的速度快，随着贮存时间的增加，这种
．１０．
万方数据
下降的趋势趋于平缓。这主要是因为在老化试验中 焊点的微观结构发生了很大的变化，这种变化导致 合金层机械特性的改变。在高温老化中，Ｐｄ、Ａｇ会 继续和Ｐｂ、Ｓｎ发生扩散形成金属化合物，这些化合 物受热会引起体积的增大，从而妨碍了金属原子间 的扩散速度，并且化合物越厚，其阻碍金属原子扩 散速度的能力越强，所以老化试验的开始阶段焊点 的剪切强度Ｆ降快。
／。
／
售
／
阜
／
吞
钙∞弱∞筋加：２
图５ ９０Ｐｂ／１０Ｓｎ的焊接断面
试验中采用３７Ｐｂ／６３Ｓｎ焊球的焊接空洞比较多， 主要因为焊球本身町能就在焊接前带有空洞，焊接 时当与焊膏熔为一体时，在表面张力的作用下，液 体表面有自动缩成最小的趋势，导致空洞里的气体 和焊膏咀的助焊剂不易排出。 ３．２ 焊膏厚度对ＢＧＡ焊接性能的影响
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ，ＢＧＡ ｗｉｌｌ ｂｅ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ，ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ Ｉ／Ｏｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＢＧＡ ｓｏｌｄｅｒ ｊｏｉｎｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｈｏｗ ｔｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｖｏｉｄ ｄｅｆｅｃｔ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｏｌｄｅｒ ｊｏｉｎｔ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｓ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｓｏｌｄｅｒ ｖｏｉｄ ａｎｄ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆＢＧＡ ｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔ ａｌｅ ａｐｐａｒｅｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｕｓｉｎｇ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ａｆｔｅｒ １５０。Ｃ，１０００ｈｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｏｒａｇｅ，ｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔｃａｌｌｍｅｅｔｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆＧＪＢ５４８Ｂ一２００５． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＢＧＡ；ｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔ；ｖｏｉｄ；ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
及高Ｉ／Ｏ数封装的最佳选择。文章分析了影响ＢＧＡ焊点可靠性的关键因素，特别提出了减少焊点
空洞缺陷和提高剪切强度的主要措施，并通过试验优化出各工艺参数。结果表明：运用优化的工
艺参数制作的ＢＧＡ焊点，焊接空洞以及芯片剪切强度有了明显改善，其中对ＢＧＡ焊接样品进行
１５０℃、ｌ ０００ｈ的高温贮存后，焊点的剪切强度完全满足ＧＪＢ５４８Ｂ一２００５的要求。
Ｙ７ｈ
图９老化时间与剪切强度的关系曲线 根据ＧＪＢ５４８Ｂ．２００５方法２０ ｌ ９．２的标准，直径为 ０．７６ｍｍ的ＢＧＡ焊球对应剪切强度为１２Ｎ·ｍｍ之，而经 过老化试验后最小的焊球剪切强度为２５Ｎ·ｍｍ～，远 大于规定标准。图ｌ ０是老化试验后焊球剪切断面， 可以看出金属导体没有受到熔蚀，试验证明，焊膏 厚度和焊接温度设定完全满足剪切强度的要求。
中焊球的直径为０．７６ｍｍ，间距为１．５ｍｍ，ＢＧＡ植 球工艺如图２所示，焊接后的ＢＧＡ试验样品如图３ 所示。
Ｉ
印制焊膏
Ｉ
ｌ
对位
Ｉ
植球
｝
焊接形成凸点
Ｉ
清洗、烘干
图２ ＢＧＡ植球工艺
图３ ＢＧＡ试验样品图形
一８．
万方数据
３ 结果与讨论
３．１ 焊球材料选择对空洞的影响 目前市场上销售的焊料品种很多，考虑到成本
厚度＞０．１ ５ｍｍ时，焊球剪切强度基本达到最大，并 且其值与焊膏厚度的关系不大，大都在４０Ｎ·ｍｍ五附 近变动。主要因为当焊膏厚度＜０．１５ｍｍ时，焊膏量 相对比较少，导致ＢＧＡ焊球与Ｐｄ、Ａｇ焊盘的焊接 面积小，从而减小了ＢＧＡ焊球的剪切强度。但为 了避免焊球的桥连和焊锡飞溅，在保证焊接强度的 情况下，焊膏厚度不宜过厚，一般控制在０．１５ｍｍ～ ０．２ｍｍ之间。
但ＢＧＡ的焊点质量和可靠性不能依靠常规的目检来 检查，即使专用检测设备也不能对ＢＧＡ的焊接质量 进行定量判定，这些都成为制约ＢＧＡ封装技术发展 的重要因素。因此，研究提高ＢＧＡ焊点可靠性的有 效方法显得相当重要，提高焊点的可靠性问题成为 了ＢＧＡ技术发展的关键。
２ 试验
２．１ 试验基板的制作工艺 试验基板材料为９６％舢２０３尺寸２６．０ｍｍ×２６．０ｍｍ
ＢＧＡ的典型缺陷包括：连焊、开焊，焊球丢失、 空洞、大焊锡球和焊点边缘模糊。其中窄洞是引起 焊接失效的主要原因。图４、图５分别为３７Ｐｂ／６３Ｓｎ 和９０Ｐｂ／１０Ｓｎ两种焊球的焊接断面，可以看出采用 ９０Ｐｂ／１ ０Ｓｎ焊球时焊接面空洞比较小。空洞主要是没 有排尽的助焊剂引起的，焊盘表面污染也有可能形 成窄洞，空洞中的气体可能会在温度循环试验中产 生收缩和膨胀的应力作用，其存在的地方大多为应 力集中点，并有可能成为产生应力裂纹的根本原因。
一般单个空洞面积不得超过整个焊接面积的 ｌ ０％，总体空洞面积不得超过整个焊接面积的２５％， 当空洞面积过大时，就视为一种缺陷，会对焊点的 机械或电可靠性造成隐患，所以改进工艺减小空洞 产生是焊接必须要考虑的因素。
第１ ０卷第５期 图４ ３７Ｐｂ／６３Ｓｎ的焊接断面
巫建华：ＢＧＡ焊点可靠性Ｔ艺研究
表ｌ ＢＧＡ焊球材料成分
公司 ＩＢＭ Ｍｏｔｏｒｏｌａ Ｐｈｉｌｉｐ Ｓｈａｒｐ Ｔｏｓｈｉｂａ
材料成分
９０Ｐｂ／１０Ｓｎ｝９５Ｐｂ／５Ｓｎ ９７Ｐｂ／３Ｓｎ ３７Ｐｂ／６３Ｓｎ ３７Ｐｂ／６３Ｓｎ ３７Ｐｂ·／６３Ｓｎ
ＢＧＡ焊球材料的选择将直接导致焊接后其形态 的变化，如果焊球熔点温度高于焊接温度，焊球不 参与反应，只是焊盘上印制的焊膏与Ｐｄ、Ａｇ发生反 应形成金属化合物，依靠金属化合物实现焊点的机 械连接和电连接。但当焊球熔点温度低于焊接温度， 焊球就会与焊盘上的焊膏熔为一体，并且可能参与 到化学反应当中。
因素及工艺的可行性，Ｐｂ／Ｓｎ焊料应用最为广泛。 ＢＧＡ焊球的生产公司也比较多，世界上几家主要公 司生产的ＢＧＡ焊球用材料如表ｌ所示。一股来说，Ｐｂ 含量越高，焊料的熔点温度越高，但在混合集成电 路中某些元器件在经受高温时很容易损坏，另外过 高的温度可能造成基板翘曲、应力变大。对于工作温 度不超过１５０。Ｃ的产品，一般采用３７Ｐｂ／６３Ｓｎ的焊料。 在ＢＧＡ的植球工艺中，我们就采用这种含量的焊膏， 其熔点温度为１８３℃。
ＳＭＴ工艺中能最好预示焊点强度的是焊点形 状，而能最佳地预示焊点形状的是焊膏量。在ＢＧＡ 工艺中，焊膏量的多少将直接影响焊接的质量。当 焊膏量过多时，容易引起焊球的桥连和焊锡１毛溅现 象。焊锡飞溅是焊接巾比较棘手的问题，这种现象 主要由焊剂排气而引起。在预热阶段这种排气作用 超过了焊膏的内聚力，促进了焊膏形成孤立的团粒， 焊接后这些熔化的孤立焊膏就粘在Ｂ Ｇ Ａ焊球或 ＡＩ，Ｏ，陶瓷基板上，这些细小的焊锡粒不容易清洗， 在经过振动后很容易成为活动的多余物，造成电子 产品的短路；而当焊膏量过少，就会造成ＢＧＡ焊球 连接不充分。为了避免焊膏印制过量，在制作不锈 钢模板时可以将印刷孔的尺寸制成相应焊盘面积的 ９０％左右。
５０
／ ４０
ｑ
ｌ ３０ 磊２０
ｌＯ
０ ２１０
Hale Waihona Puke Baidu
２２０
７＼ 、
２３０
２４０ ７ｙ℃
２５０
２６０
图８焊接温度与剪切强度的关系曲线
由图８可见，温度在２２０。Ｃ－２４０。Ｃ时ＢＧＡ焊球 剪切强度基本达到最大，当温度＞２４０℃其剪切强度 呈下降趋势。
为了进一步检验焊点的抗疲劳强度，对２２０’Ｅ温 度下焊接的样品进行１５０℃、ｌ ０００ｈ的高温贮存，其 中老化时间与焊球剪切强度的关系如图９所示。
×１．０ｍｍ，膜层为采用Ｄｕｐｏｎｔ４０９３印制的Ｐｔ—Ｐｄ－Ａｇ，
收稿日期：２０１０－０１－１７
一７．
万方数据
第１ ０卷第５期
电子与封装
其中，膜层厚度２０肛ｍ，试验基板的制作工艺流程 如图１所示。
ｌ
基板处理
Ｉ
Ｉ
掩模制版
Ｉ
Ｐｔ．Ｐｄ—Ａｇ印制
Ｉ
烘干．烧成
Ｉ
基板检验
图ｌ试验基板制作工艺流程图
２．２ ＢＧＡ植球工艺 我们采用１ ６ ｘ ｌ ６全阵列ＢＧＡ分布方法，其
第１０卷，第５期 Ｖ０１．１０，Ｎｏ．５
电子与封装 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ＆ＰＡＣＫＡＧＩ＿ＮＧ
勇一誊、ｊｉ，埋，簧，，：Ｉ皇’。道、蔓
ＢＧＡ焊点可靠性工艺研究
总第８５期 ２０１０年５月
巫建华
（中国电子科技集团公司第４３研究所，合肥２３００２２）
摘要：伴随高密度电子组装技术的发展，ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）成为高密度、高性能、多功能
ｐ ＼ 倒 赠
图７焊接温度曲线 ．９．
第１０卷第５期
电子与封装
在再流焊工艺的四个阶段中，最为关键的是 熔化阶段，此阶段金属原子发生了相互扩散，形 成Ａｇ—Ｓｎ，Ｐｄ—Ｓｎ等金属化合物。金属原子间的扩 散速度与焊接温度和时间有关，焊接温度越高， 时间越长，原子的扩散就越活跃，不同原子之间 形成的金属化合物就越多，这种化合物的厚度与 焊点机械连接强度有直接关系。由于化合物是脆 性的，太薄或太厚的合金层都将削弱焊点的剪切 强度，一般０．５¨ｍ～４“ｍ的合金层厚度最佳。当 厚度＜０．５ ｕ ｍ时，金属间合金层太薄，几乎没有强 度；而厚度＞４ ｕ ｍ时，金属间合金层太厚，金属 间结合层的结构疏松、发脆，会使连接处失去弹性， 这样也会导致剪切强度减小。
另外当温度继续升高、时间进一步延长时，Ｓｎ／Ｐｂ 焊料中的Ｓｎ不断向Ｐｄ、Ａｇ表面扩散，在焊料一侧 只留下Ｐｂ，形成富Ｐｂ层。金属化合物和富Ｐｂ层之 间的界面结合力非常脆弱，当受到温度、振动等冲 击，就会在焊接界面ｉ处发生裂纹。
所以说焊接温度和时间对于ＢＧＡ焊球剪切强度 有很大影响。理论上焊接温度要比焊料的熔点温度 高３０℃～５０℃，焊接时间一般为焊料熔化后的３ｓ～ １０ｓ。考虑到ＡＩ，Ｏ，陶瓷慕板的尺寸大小和ＢＧＡ焊球 分布数量，我们设定相同的焊接时间５ｓ，改变焊接 温度，测定焊接温度与剪切强度关系，图８给出了 两者之间的关系。
１ 引言
随着电子产品向便携式、小型化，网络化和多 媒体方向的迅速发展，对多芯片组件的封装技术提 出了更高要求，新的高密度封装技术不断涌出，ＢＧＡ 就是近年来兴起的新型高密度封装工艺。ＢＧＡ改变 传统封装采用的周边引线方式，变成在基板下面面 阵排列引出脚，并将引出脚改为Ｐｂ／Ｓｎ焊料凸点。与 传统的封装形式相比，ＢＧＡ具有单位面积上的Ｉ／Ｏ数 多，引线电感和电容小，散热效果好、对位要求低 等优点，从而使其逐渐成为现代封装技术的主流。
图６焊膏厚度与剪切强度的关系
０．２５
３．３ 焊接温度曲线对剪切强度影响 再流焊一般分为四个阶段：预热、浸润、熔化
和冷却。预热阶段基板均匀受热，并刺激助焊剂活 跃，理想升温速度为２℃·ｓ～。浸润阶段基板缓慢升 温，助焊剂起活化作用，去除氧化物并逐渐挥发。为 使助焊剂充分挥发，避免在焊接时因焊剂的存在而 造成空洞和焊锡飞溅等现象，温度应该在１ ４０℃～ １６０＂Ｃ间保持６０ｓ～１２０ｓ。当焊接温度超过焊料的熔点 温度时为熔化阶段，这一阶段实质上是固态的金属 和熔融的焊料相互反应形成金属化合物的过程，焊 接就是通过这螳化合物实现机械连接和电连接。冷 却阶段焊膏开始凝固，控温一般为３℃·ｓ～，过快会 使应力变大，导致ＢＧＡ焊球与基板问产生微小裂纹， 理想的焊接曲线如图７所示。
另外焊膏量对于ＢＧＡ剪切强度有很大影响，于 是在印制焊膏时我们改变焊膏厚度，在相同的焊接 条件下，测定焊膏厚度与剪切强度关系。图６给出 了两者之间的关系。
从图６中可以看出，当焊膏厚度＜０．１５ｍｍ时，焊 球剪切强度基本随焊膏厚度增加而增加，而当焊膏
万方数据
ｍ，Ｏ Ｏ
Ｏ．０５
Ｏ．１
０．１５
０．２
Ｈ｜ｍｍ
关键词：焊球阵列封装；焊点；空洞；剪切强度
中图分类号：ＴＮ３０５．９４ 文献标识码：Ａ
文章编号：１６８１—１０７０（２０１０）０５—０００７－０４
Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＢＧＡ Ｓｏｌｄｅｒ Ｊｏｉｎｔ ＷＵ Ｊｉａｎ－ｈｕａ
（Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｎｏ．４３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｅｆｅｉ ２３００２２，Ｃｈｉｎａ）
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下降的趋势趋于平缓。这主要是因为在老化试验中 焊点的微观结构发生了很大的变化，这种变化导致 合金层机械特性的改变。在高温老化中，Ｐｄ、Ａｇ会 继续和Ｐｂ、Ｓｎ发生扩散形成金属化合物，这些化合 物受热会引起体积的增大，从而妨碍了金属原子间 的扩散速度，并且化合物越厚，其阻碍金属原子扩 散速度的能力越强，所以老化试验的开始阶段焊点 的剪切强度Ｆ降快。
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钙∞弱∞筋加：２
图５ ９０Ｐｂ／１０Ｓｎ的焊接断面
试验中采用３７Ｐｂ／６３Ｓｎ焊球的焊接空洞比较多， 主要因为焊球本身町能就在焊接前带有空洞，焊接 时当与焊膏熔为一体时，在表面张力的作用下，液 体表面有自动缩成最小的趋势，导致空洞里的气体 和焊膏咀的助焊剂不易排出。 ３．２ 焊膏厚度对ＢＧＡ焊接性能的影响
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ，ＢＧＡ ｗｉｌｌ ｂｅ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ，ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ Ｉ／Ｏｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＢＧＡ ｓｏｌｄｅｒ ｊｏｉｎｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｈｏｗ ｔｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｖｏｉｄ ｄｅｆｅｃｔ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｏｌｄｅｒ ｊｏｉｎｔ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｓ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｓｏｌｄｅｒ ｖｏｉｄ ａｎｄ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆＢＧＡ ｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔ ａｌｅ ａｐｐａｒｅｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｕｓｉｎｇ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ａｆｔｅｒ １５０。Ｃ，１０００ｈｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｏｒａｇｅ，ｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔｃａｌｌｍｅｅｔｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆＧＪＢ５４８Ｂ一２００５． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＢＧＡ；ｓｏｌｄｅｒｊｏｉｎｔ；ｖｏｉｄ；ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
及高Ｉ／Ｏ数封装的最佳选择。文章分析了影响ＢＧＡ焊点可靠性的关键因素，特别提出了减少焊点
空洞缺陷和提高剪切强度的主要措施，并通过试验优化出各工艺参数。结果表明：运用优化的工
艺参数制作的ＢＧＡ焊点，焊接空洞以及芯片剪切强度有了明显改善，其中对ＢＧＡ焊接样品进行
１５０℃、ｌ ０００ｈ的高温贮存后，焊点的剪切强度完全满足ＧＪＢ５４８Ｂ一２００５的要求。
Ｙ７ｈ
图９老化时间与剪切强度的关系曲线 根据ＧＪＢ５４８Ｂ．２００５方法２０ ｌ ９．２的标准，直径为 ０．７６ｍｍ的ＢＧＡ焊球对应剪切强度为１２Ｎ·ｍｍ之，而经 过老化试验后最小的焊球剪切强度为２５Ｎ·ｍｍ～，远 大于规定标准。图ｌ ０是老化试验后焊球剪切断面， 可以看出金属导体没有受到熔蚀，试验证明，焊膏 厚度和焊接温度设定完全满足剪切强度的要求。
中焊球的直径为０．７６ｍｍ，间距为１．５ｍｍ，ＢＧＡ植 球工艺如图２所示，焊接后的ＢＧＡ试验样品如图３ 所示。
Ｉ
印制焊膏
Ｉ
ｌ
对位
Ｉ
植球
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焊接形成凸点
Ｉ
清洗、烘干
图２ ＢＧＡ植球工艺
图３ ＢＧＡ试验样品图形
一８．
万方数据
３ 结果与讨论
３．１ 焊球材料选择对空洞的影响 目前市场上销售的焊料品种很多，考虑到成本
厚度＞０．１ ５ｍｍ时，焊球剪切强度基本达到最大，并 且其值与焊膏厚度的关系不大，大都在４０Ｎ·ｍｍ五附 近变动。主要因为当焊膏厚度＜０．１５ｍｍ时，焊膏量 相对比较少，导致ＢＧＡ焊球与Ｐｄ、Ａｇ焊盘的焊接 面积小，从而减小了ＢＧＡ焊球的剪切强度。但为 了避免焊球的桥连和焊锡飞溅，在保证焊接强度的 情况下，焊膏厚度不宜过厚，一般控制在０．１５ｍｍ～ ０．２ｍｍ之间。
但ＢＧＡ的焊点质量和可靠性不能依靠常规的目检来 检查，即使专用检测设备也不能对ＢＧＡ的焊接质量 进行定量判定，这些都成为制约ＢＧＡ封装技术发展 的重要因素。因此，研究提高ＢＧＡ焊点可靠性的有 效方法显得相当重要，提高焊点的可靠性问题成为 了ＢＧＡ技术发展的关键。
２ 试验
２．１ 试验基板的制作工艺 试验基板材料为９６％舢２０３尺寸２６．０ｍｍ×２６．０ｍｍ
ＢＧＡ的典型缺陷包括：连焊、开焊，焊球丢失、 空洞、大焊锡球和焊点边缘模糊。其中窄洞是引起 焊接失效的主要原因。图４、图５分别为３７Ｐｂ／６３Ｓｎ 和９０Ｐｂ／１０Ｓｎ两种焊球的焊接断面，可以看出采用 ９０Ｐｂ／１ ０Ｓｎ焊球时焊接面空洞比较小。空洞主要是没 有排尽的助焊剂引起的，焊盘表面污染也有可能形 成窄洞，空洞中的气体可能会在温度循环试验中产 生收缩和膨胀的应力作用，其存在的地方大多为应 力集中点，并有可能成为产生应力裂纹的根本原因。
一般单个空洞面积不得超过整个焊接面积的 ｌ ０％，总体空洞面积不得超过整个焊接面积的２５％， 当空洞面积过大时，就视为一种缺陷，会对焊点的 机械或电可靠性造成隐患，所以改进工艺减小空洞 产生是焊接必须要考虑的因素。
第１ ０卷第５期 图４ ３７Ｐｂ／６３Ｓｎ的焊接断面
巫建华：ＢＧＡ焊点可靠性Ｔ艺研究
表ｌ ＢＧＡ焊球材料成分
公司 ＩＢＭ Ｍｏｔｏｒｏｌａ Ｐｈｉｌｉｐ Ｓｈａｒｐ Ｔｏｓｈｉｂａ
材料成分
９０Ｐｂ／１０Ｓｎ｝９５Ｐｂ／５Ｓｎ ９７Ｐｂ／３Ｓｎ ３７Ｐｂ／６３Ｓｎ ３７Ｐｂ／６３Ｓｎ ３７Ｐｂ·／６３Ｓｎ
ＢＧＡ焊球材料的选择将直接导致焊接后其形态 的变化，如果焊球熔点温度高于焊接温度，焊球不 参与反应，只是焊盘上印制的焊膏与Ｐｄ、Ａｇ发生反 应形成金属化合物，依靠金属化合物实现焊点的机 械连接和电连接。但当焊球熔点温度低于焊接温度， 焊球就会与焊盘上的焊膏熔为一体，并且可能参与 到化学反应当中。
因素及工艺的可行性，Ｐｂ／Ｓｎ焊料应用最为广泛。 ＢＧＡ焊球的生产公司也比较多，世界上几家主要公 司生产的ＢＧＡ焊球用材料如表ｌ所示。一股来说，Ｐｂ 含量越高，焊料的熔点温度越高，但在混合集成电 路中某些元器件在经受高温时很容易损坏，另外过 高的温度可能造成基板翘曲、应力变大。对于工作温 度不超过１５０。Ｃ的产品，一般采用３７Ｐｂ／６３Ｓｎ的焊料。 在ＢＧＡ的植球工艺中，我们就采用这种含量的焊膏， 其熔点温度为１８３℃。
ＳＭＴ工艺中能最好预示焊点强度的是焊点形 状，而能最佳地预示焊点形状的是焊膏量。在ＢＧＡ 工艺中，焊膏量的多少将直接影响焊接的质量。当 焊膏量过多时，容易引起焊球的桥连和焊锡１毛溅现 象。焊锡飞溅是焊接巾比较棘手的问题，这种现象 主要由焊剂排气而引起。在预热阶段这种排气作用 超过了焊膏的内聚力，促进了焊膏形成孤立的团粒， 焊接后这些熔化的孤立焊膏就粘在Ｂ Ｇ Ａ焊球或 ＡＩ，Ｏ，陶瓷基板上，这些细小的焊锡粒不容易清洗， 在经过振动后很容易成为活动的多余物，造成电子 产品的短路；而当焊膏量过少，就会造成ＢＧＡ焊球 连接不充分。为了避免焊膏印制过量，在制作不锈 钢模板时可以将印刷孔的尺寸制成相应焊盘面积的 ９０％左右。
５０
／ ４０
ｑ
ｌ ３０ 磊２０
ｌＯ
０ ２１０
Hale Waihona Puke Baidu
２２０
７＼ 、
２３０
２４０ ７ｙ℃
２５０
２６０
图８焊接温度与剪切强度的关系曲线
由图８可见，温度在２２０。Ｃ－２４０。Ｃ时ＢＧＡ焊球 剪切强度基本达到最大，当温度＞２４０℃其剪切强度 呈下降趋势。
为了进一步检验焊点的抗疲劳强度，对２２０’Ｅ温 度下焊接的样品进行１５０℃、ｌ ０００ｈ的高温贮存，其 中老化时间与焊球剪切强度的关系如图９所示。
×１．０ｍｍ，膜层为采用Ｄｕｐｏｎｔ４０９３印制的Ｐｔ—Ｐｄ－Ａｇ，
收稿日期：２０１０－０１－１７
一７．
万方数据
第１ ０卷第５期
电子与封装
其中，膜层厚度２０肛ｍ，试验基板的制作工艺流程 如图１所示。
ｌ
基板处理
Ｉ
Ｉ
掩模制版
Ｉ
Ｐｔ．Ｐｄ—Ａｇ印制
Ｉ
烘干．烧成
Ｉ
基板检验
图ｌ试验基板制作工艺流程图
２．２ ＢＧＡ植球工艺 我们采用１ ６ ｘ ｌ ６全阵列ＢＧＡ分布方法，其
第１０卷，第５期 Ｖ０１．１０，Ｎｏ．５
电子与封装 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ＆ＰＡＣＫＡＧＩ＿ＮＧ
勇一誊、ｊｉ，埋，簧，，：Ｉ皇’。道、蔓
ＢＧＡ焊点可靠性工艺研究
总第８５期 ２０１０年５月
巫建华
（中国电子科技集团公司第４３研究所，合肥２３００２２）
摘要：伴随高密度电子组装技术的发展，ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）成为高密度、高性能、多功能
ｐ ＼ 倒 赠
图７焊接温度曲线 ．９．
第１０卷第５期
电子与封装
在再流焊工艺的四个阶段中，最为关键的是 熔化阶段，此阶段金属原子发生了相互扩散，形 成Ａｇ—Ｓｎ，Ｐｄ—Ｓｎ等金属化合物。金属原子间的扩 散速度与焊接温度和时间有关，焊接温度越高， 时间越长，原子的扩散就越活跃，不同原子之间 形成的金属化合物就越多，这种化合物的厚度与 焊点机械连接强度有直接关系。由于化合物是脆 性的，太薄或太厚的合金层都将削弱焊点的剪切 强度，一般０．５¨ｍ～４“ｍ的合金层厚度最佳。当 厚度＜０．５ ｕ ｍ时，金属间合金层太薄，几乎没有强 度；而厚度＞４ ｕ ｍ时，金属间合金层太厚，金属 间结合层的结构疏松、发脆，会使连接处失去弹性， 这样也会导致剪切强度减小。
另外当温度继续升高、时间进一步延长时，Ｓｎ／Ｐｂ 焊料中的Ｓｎ不断向Ｐｄ、Ａｇ表面扩散，在焊料一侧 只留下Ｐｂ，形成富Ｐｂ层。金属化合物和富Ｐｂ层之 间的界面结合力非常脆弱，当受到温度、振动等冲 击，就会在焊接界面ｉ处发生裂纹。
所以说焊接温度和时间对于ＢＧＡ焊球剪切强度 有很大影响。理论上焊接温度要比焊料的熔点温度 高３０℃～５０℃，焊接时间一般为焊料熔化后的３ｓ～ １０ｓ。考虑到ＡＩ，Ｏ，陶瓷慕板的尺寸大小和ＢＧＡ焊球 分布数量，我们设定相同的焊接时间５ｓ，改变焊接 温度，测定焊接温度与剪切强度关系，图８给出了 两者之间的关系。
１ 引言
随着电子产品向便携式、小型化，网络化和多 媒体方向的迅速发展，对多芯片组件的封装技术提 出了更高要求，新的高密度封装技术不断涌出，ＢＧＡ 就是近年来兴起的新型高密度封装工艺。ＢＧＡ改变 传统封装采用的周边引线方式，变成在基板下面面 阵排列引出脚，并将引出脚改为Ｐｂ／Ｓｎ焊料凸点。与 传统的封装形式相比，ＢＧＡ具有单位面积上的Ｉ／Ｏ数 多，引线电感和电容小，散热效果好、对位要求低 等优点，从而使其逐渐成为现代封装技术的主流。
图６焊膏厚度与剪切强度的关系
０．２５
３．３ 焊接温度曲线对剪切强度影响 再流焊一般分为四个阶段：预热、浸润、熔化
和冷却。预热阶段基板均匀受热，并刺激助焊剂活 跃，理想升温速度为２℃·ｓ～。浸润阶段基板缓慢升 温，助焊剂起活化作用，去除氧化物并逐渐挥发。为 使助焊剂充分挥发，避免在焊接时因焊剂的存在而 造成空洞和焊锡飞溅等现象，温度应该在１ ４０℃～ １６０＂Ｃ间保持６０ｓ～１２０ｓ。当焊接温度超过焊料的熔点 温度时为熔化阶段，这一阶段实质上是固态的金属 和熔融的焊料相互反应形成金属化合物的过程，焊 接就是通过这螳化合物实现机械连接和电连接。冷 却阶段焊膏开始凝固，控温一般为３℃·ｓ～，过快会 使应力变大，导致ＢＧＡ焊球与基板问产生微小裂纹， 理想的焊接曲线如图７所示。
另外焊膏量对于ＢＧＡ剪切强度有很大影响，于 是在印制焊膏时我们改变焊膏厚度，在相同的焊接 条件下，测定焊膏厚度与剪切强度关系。图６给出 了两者之间的关系。
从图６中可以看出，当焊膏厚度＜０．１５ｍｍ时，焊 球剪切强度基本随焊膏厚度增加而增加，而当焊膏
万方数据
ｍ，Ｏ Ｏ
Ｏ．０５
Ｏ．１
０．１５
０．２
Ｈ｜ｍｍ
关键词：焊球阵列封装；焊点；空洞；剪切强度
中图分类号：ＴＮ３０５．９４ 文献标识码：Ａ
文章编号：１６８１—１０７０（２０１０）０５—０００７－０４
Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＢＧＡ Ｓｏｌｄｅｒ Ｊｏｉｎｔ ＷＵ Ｊｉａｎ－ｈｕａ
（Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｎｏ．４３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｅｆｅｉ ２３００２２，Ｃｈｉｎａ）