疲劳载荷条件下BGA互连点失效行为研究

摘要

本文针对微电子组装中常见的BGA封装形式，对比采用三种不同焊料（锡铅共晶焊料、锡铅共晶焊膏和Sn3Ag0.5Cu焊球混装焊料、以及Sn3Ag0.5Cu无铅焊料）焊接得到的BGA互连点，经过不同周期的热疲劳试验和机械疲劳试验后，在扫描电子显微镜和电子束背散射衍射下分析了焊点纵截面上微观组织形态和晶粒结构变化，并对焊点截面上不同区域的硬度值进行测量来确定疲劳载荷条件下其力学性能表现，最终经过分析得到了BGA互连焊点在疲劳载荷作用下的失效机理：
　　在热疲劳载荷作用下，BGA互连点的拐角处和相界面以及晶界处内出现应力集中现象，导致该区域缺陷密度较大，为再结晶提供了驱动力；缺陷与温度循环过程中的高温环境共同促进了Ag、Cu等原子的扩散，使原来弥散分布的Ag3Sn、Cu6Sn5小颗粒聚集长大并以大块状出现在晶界处；在循环应力作用下，位错不断增值并转移，在转移过程中会被硬脆的Ag3Sn、Cu6Sn5块状物所阻挡，并沿块状Ag3Sn、Cu6Sn5积累成小角度晶界甚至大角度晶界，形成亚晶粒，亚晶粒绕c轴的转动，发生再结晶；在应力作用下，晶粒沿晶界滑移，裂纹沿晶界萌生并扩展；裂纹的扩展，同时又促使应力集中区域向焊球内部扩展，进而带动再结晶区域向BGA互连焊点中心蔓延，最终导致裂纹贯穿焊点而使互连焊点失效。
　　常温下机械疲劳载荷跟热疲劳载荷相比，其焊点内原子扩散没有热疲劳载荷下明显，大块状化合物不易形成，位错只能在高密度Ag3Sn、Cu6Sn5颗粒之间进行，导致再结晶晶粒体积小于热疲劳载荷下的晶粒。