球栅阵列焊点与Cu基板界面在热/电/振动载荷下的失效机理

摘要

随着汽车电子装置和其它消费类电子产品的飞速发展,电子器件正逐渐向高层次集成、高性能和多功能方向发展,其封装技术也进入了高密度、小间距时代。电子封装的功能是对微电子芯片进行保护,提供能源和进行冷却,并且将微电子部件和外部进行电气和机械连接。其中焊料合金与基板间形成的金属化合物层是焊点可靠性连接的必要保证。但由于该金属间化合物很脆且与基板和焊料之间热膨胀系数不匹配,所以很容易在应力载荷下失效。电子器件在实际服役过程中,承受着环境的多种载荷。如航空电子设备、汽车电子控制器件和军用设备等经常在残酷的环境中服役,承受着高温冲击、机械振动、电流载荷以及各种载荷的交合作用。因此本文研究了热冲击、机械振动和高密度电流载荷对焊点金属间化合物(IMC)生长及失效的影响,并采用ANSYS有限元软件模拟分析了热载荷、电流载荷和机械振动载荷作用下球栅阵列焊点的温度场及应力应变。具体研究内容及结论如下:
　　通过对回流焊后器件进行热冲击实验和有限元分析,研究热冲击载荷条件下Sn3.0Ag0.5Cu焊料与Cu基板界面处裂纹形成机理。实验表明:由于焊点中各相之间存在热膨胀系数差,导致焊点在热冲击过程中承受着剪切和拉伸应力。随着器件周期性连续的变形,在焊球与Cu界面处出现严重的应力集中,并在热冲击300小时后出现裂纹。裂纹出现初始阶段,大部分裂纹产生于焊料基体,并在焊料基体中缓慢扩展。随着热冲击时间的增加,在焊料与IMC界面处的裂纹数量逐渐增加,并沿着焊料和IMC界面扩展。焊点在承受长时间热冲击后在IMC和Cu界面处出现严重的应力集中,此时裂纹直接穿过IMC晶粒平行于界面扩展。热冲击载荷促使扇贝状的Cu6Sn5相逐渐转变为平面状的Cu6Sn5/Cu3Sn相,导致裂纹扩展阻力降低;另外焊料晶粒尺寸也逐渐减小,促进了原子的晶间扩散,从而促使了IMC的增长和界面的平整化。
　　通过改变回流加热因子获得不同厚度IMC层的焊点,然后对FCBGA器件进行正弦振动疲劳试验,研究Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面金属间化合物厚度及形貌对BGA无铅焊点振动可靠性的影响,分析裂纹形成、扩展机理。实验结果表明:加热因子对IMC的增长影响很大,随着加热因子的增加,IMC成倍增厚。随着IMC的厚度逐渐增加,振动疲劳寿命先逐渐增加后快速下降,当IMC厚度在1.5μm左右振动疲劳寿命达到最大值。振动失效裂纹主要起源于焊球瓶颈位置的焊料内或气孔附近。当IMC厚度小于1-2μm时,振动失效裂纹起源于焊点瓶颈位置焊料内部,平行于Cu界面在焊料界面扩展,断裂界面比较平坦,界面有韧窝存在;当 IMC厚度在2-3μm时,裂纹沿着Cu6Sn5层与焊料界面水平扩展,断口可以明显的看到细小的Cu6Sn5晶粒;当IMC厚度大于3μm左右,较突出的扇贝状Cu6Sn5层首先断裂,然后沿着焊料与Cu6Sn5相界面水平扩展,呈粗糙的解理断面;当IMC大于4μm甚至更厚时,焊点断裂机制为完全解理断裂,断裂表面很平坦。
　　通过模拟获得不同密度电流载荷下焊点的温度场和最大等效应力,得到了不同密度电流载荷下的焊点振动疲劳S-N曲线,分析电流载荷和由电流载荷引起的温度对焊点振动失效的影响,并得到了以下结论:在振动载荷下,FCBGA板级组件在垂直于板面方向上呈的弯曲变形,导致BGA焊点承受周期性的应力,焊点与芯片连接位置附近等效应力最大。结合谐响应分析获得的最大等效应力值和高密度电流载荷下的振动疲劳寿命值,拟合了焊点在不同密度电流载荷下的振动疲劳S-N曲线。由该 S-N曲线可以看出电流对焊点振动失效的影响几乎呈线性关系,随着电流密度的增大,焊点振动疲劳寿命急剧下降。加载3A电流载荷下,焊料与Cu接触的拐角区域出现电流拥挤效应(电流密度接近1.0×104A/cm2),温度急剧升高达到110.34℃;加载15A电流载荷下,焊料与Cu接触的拐角区域电流密度接近3.2×104A/cm2,最高温度约为209.68℃。在未通电情况下,振动失效裂纹主要是在芯片端焊料瓶颈位置起源,然后向Cu6Sn5层内扩展,最后水平切开Cu6Sn5层至焊点完全断裂;当通电电流为3A时,裂纹起源位置偏向于应力集中的瓶颈处IMC层附近,然后沿着IMC界面完全剥离或在焊料内呈45°角上下波动水平扩展;当通电电流达到15A时,裂纹直接在芯片端和基板端焊料瓶颈位置起源(距离IMC层相对较远),并直接沿着水平方向在焊料内扩展。