BGA可靠性表征项目：温度循环试验

1 引言?

HDP User集团是一个半导体、材料和系统供应商，对适合高密度应用的半导体封装极为重视。目前HDP User集团最需要的信息之一是根据温度循环应力试验获得的第二级BGA可靠性或封装－电路板可靠性。HDP User集团制定了一个评价第二级BGA可靠性的研究项目。项目小组是由几个公司的研究人员组成的。不同结构的封装是从课题组成员所在的公司中获得的。这些器件被安装在印制电路板上。一些电路板经受了模拟的再加工条件。接着所有电路板都要经受温度循环，并在试验中接受电阻监控。经过3500次循环之后，电路板从试验箱中取出，一些器件被选择用来作失效分析。?

2 受试封装结构?

在本项试验中，有4种不同的封装经受了试验。它们的结构如下：?

BGA1—倒装片BGA：787腿，35mm外壳，芯片尺寸为11mm２，1mm节距，结构为共晶倒装片焊球、有机载体和金属盖。?

BGA2—柔性BGA：381腿，35mm外壳，芯片尺寸为10.8mm２，1mm节距，结构为丝焊、柔性衬底、芯片向上和过模制外壳。?

BGA3—TBGA(载带球栅阵列)：352腿，35mm外壳，芯片尺寸为15.1mm２，1.27mm 节距，结构为丝焊、金属／载带外壳、芯片向下和塑料封装。?

BGA4—超级BGA：352腿，35mm外壳，芯片尺寸为15.2mm２，1.27mm节距，结构为丝焊、金属／有机压层外壳、芯片向下和塑料封装。?

3 PC板结构与装配?

所有的电路板都是FR4，10个金属层，0.062时厚。器件被安装在单侧上。电路板的尺寸为8.25×8?。有11个BGA元件被安装在电路板上，组成了一个样品网络。?试样的装配由摩托罗拉公司负责完成，该公司还为本课题提供型板、工具、劳动力、材料和试验。?

4 模拟的再加工?

9块电路板中有2块经受了模拟再加工条件。在模拟再加工电路板上所有BGA器件都在规定的温度剖面循环2次，但不从电路板上拆除。模拟再加工剖面包括预热阶段在内的4个阶段。每次阶段有40秒停机时间，每次循环约为4分

钟，包括冷却在内。最高结温达220℃，电路板的最高温度达120℃。加热方法是底部预热加上压入热空气。?

5 试验方法?

温度循环试验之前，电路板被焙烤6小时左右，以清除所积累的潮气。紧接预烤之后要完成5次－40～85℃的预调循环。这些循环剖面包括15分钟的上升和停止时间，每次循环共需60分钟(这样做的目的是模拟发运环境条件)。紧接预调循环之后，电缆引线被人工焊接到电路板触点上，以供温度循环期间作实时电阻测量之用。温度映象是通过给带热电偶样品接上仪表来实现的，样品被置于实际温度循环箱中。这样做是为了保证所有器件在温度循环试验中都受到相同的输入温度激励。被硬化和监控的样品经受了3500次温度循环，每次

循环的时限为40分钟，上升和停止时间各为10分钟。温度是在0～100℃范围内循环，正如在封装上表面测量的那样。在温度循环期间，样品网络受到监控，以获得中断操作的证据。这项工作是通过把样品接入2×256信道的Analysis Tech事件检测仪来实现的。该仪器能探测到200毫微秒内100Ω电阻的增值。这些电阻增值(或事件)被认为是失效，会按时间、循环次数和温度标记下来，并保持事件的记录。?

除了这种现场事件检测与监控以外，还要每500次循环测出样品网络的电阻。要在100℃温度条件下使样品的温度得到稳定，并用4线测试仪测出样品网络的电阻。1块再加工电路板即电路板＃78在1500次循环时被取出，以获得一些失效分析结果。其它电路板被取出去作失效分析之前经受了3500次温度循环。?

6 结果?

从一幅威布尔曲线图中可发现，倒装片BGA的失效分布与其它3种封装的不同，此外，失效模式也不同，特别是在芯片封装焊点的失效数也不同。考虑到其它3种样品中每种封装的大多数都仍未失效，威布尔曲线基本相同。只有很少早期器件失效数不影响威布尔曲线，这些曲线显示试验完成时众多器件仍未失效。另一幅威布尔曲线图则把原始电路板的结果与模拟再加工电路板的结果作了对比。在这种情况下，从超级BGA、TBGA和柔性BGA中获得的数据进行了综合，以便得到理想的样品量。这种方法的判断是，这三种器件的失效分布极为相似。原始电路板与模拟再加工电路板具有相似的失效分布，也未获得两个样品之间有重大差别的数据。此外，由于大量器件在试验结束时仍未失效，所以早期失效数很少。7 倒装片BGA的失效分析?

失效器件中的1个随机样品曾接受过失效分析。失效分析按下列流程进行：?

—用欧姆计探测，以检验开路；?

—作X射线映象检查；?

—作横截面失效网检验；?

—对横界面作SEM检验。?

倒装片器件是用芯片－衬底连接而不是预测的衬底－电路板连接中的失效数来表征的。失效的倒装片的BGA网络全部都有这种特征。在电路装配过程中会出现芯片－衬底焊点损伤。这种损伤必须通过仍未装配到电路板上的

相同批中的器件的X射线和横截面分析来检验。芯片－衬底焊点的操作并不是由于模拟再加工过程造成的。原始电路板和再加工电路板都有这种特征。

从照片分析过程中，焊点失效是以焊接合金的粗化、金属间化合物大量生成以及焊点融化与沾污来表征的。

研究人员对这些失效原因的猜测包括装配过程中衬底的分层和／或挠曲。?

8 其它BGA的失效分析?

失效载带BGA、柔性BGA和超级BGA器件的一个随机样品曾经受过与上述相同的失效分析。在任何情况下都能发现封装－衬底焊点失效。失效模式是开裂，首先从封装－焊球界面的焊球的应力集结区开始，然后在侧面沿着相同的界面扩展。在焊点上未观测到大量金属间化合物生成。

9 结论?

本次试验得出的最明显的结论是失效率与DNP之间有很大的相关性。但失效率与封装和它在电路板上的位置之间似乎没有相关性，再加工过程对焊点可靠性也未产生负面影响。

可靠性表征项目的第二阶段是用相同的器件和电路板结构对功率循环试验数据进行比较。不过，由于缺乏温度循环试验结束时的数据，比较会存在局限性。这是因为大多数器件在温度循环中未失效，故威布尔曲线很可能不精确。?

对于3种W／B封装来说，在3500次循环中的失效不足20%，未达到曲线的50%。这是由于低于1000次循环时的失效率高于超过1000次循环时的失效率。被分析的器件都是属于早期失效种类的器件。早期失效可能是由于可进一步加速焊点失效的制造或搬运缺陷所造成的。实际上，人们正是利用这些早期失效来预计系统可靠性。但遗憾的是，竟然在低于500次循环时就出现如此高的失效率。