BGA封裝器件焊球剪切實(shí)驗(yàn)及模擬研究.pdf

1、BGA(Ball Grid Array)封裝是一種重要封裝形式,它具有高密度、體積小、高可靠性、信號(hào)延遲少等優(yōu)點(diǎn)。BGA器件通過(guò)焊球與PCB(Printed Circuit Board)連接以形成高一級(jí)的功能模塊。因此焊球是BGA器件失效的關(guān)鍵部位。近年來(lái),在綠色環(huán)保的要求下,焊球材料從原先的Sn-Pb轉(zhuǎn)向Sn-Ag-Cu等無(wú)鉛焊料。由于裝配及使用過(guò)程中的機(jī)械力、振動(dòng)；封裝工藝過(guò)程中,BGA焊球金屬間化合物(IMC)的存在、焊接引起的焊

2、球空洞等原因,常常導(dǎo)致BGA焊球破壞,進(jìn)而使BGA封裝器件失效。尤其是焊球采用新的無(wú)鉛化工藝后,BGA焊球的失效研究尚不充分。因此,研究無(wú)鉛焊球性能對(duì)BGA封裝器件的實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。
　　 本文對(duì)Sn-Pb、Sn-Ag3.0-Cu0.5、Sn-Ag3.0-Bi3.0-Ni0.5焊球在不同工藝參數(shù)條件下形成的焊點(diǎn)進(jìn)行了不同速率的剪切實(shí)驗(yàn)。對(duì)回流次數(shù)、峰值溫度、剪切速率的變化等因素對(duì)焊球剪切強(qiáng)度的影響、焊球斷面的微觀組織結(jié)構(gòu)、

3、斷裂形式的觀察進(jìn)行了較為深入的研究。針對(duì)IMC層對(duì)焊球焊接強(qiáng)度的影響,本文對(duì)IMC層在回流焊過(guò)程中的生長(zhǎng)進(jìn)行了研究。利用電子顯微鏡和EDX考察了IMC層厚度、形貌以及組分隨回流溫度和回流次數(shù)的變化。結(jié)合剪切測(cè)試數(shù)據(jù),定性分析了IMC層對(duì)焊球連接界面強(qiáng)度的影響。對(duì)長(zhǎng)時(shí)間熱循環(huán)載荷下IMC層厚度變化對(duì)焊球疲勞壽命的影響,本文采用有限元法進(jìn)行了計(jì)算分析研究。采用改進(jìn)算法,在計(jì)算過(guò)程中引入了IMC厚度的變化,利用能量法預(yù)測(cè)了焊球壽命。本文還采用

4、有限元法對(duì)焊球中孔洞對(duì)溫度、熱應(yīng)力分布的影響進(jìn)行了研究。本研究表明,焊球剪切強(qiáng)度隨剪切速率持續(xù)升高先增加然后降低,原因是斷裂位置與模式不同。高剪切速率情況下,趨向于脆性斷裂。Sn-Ag3.0-Bi3.0-Ni0.5焊球剪切強(qiáng)度高于Sn-Ag3.0-Cu0.5焊料,回流溫度,次數(shù)通過(guò)IMC層的變化對(duì)無(wú)鉛焊球剪切強(qiáng)度產(chǎn)生影響。IMC過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致剪切強(qiáng)度下降;計(jì)算模擬結(jié)果顯示,溫度循環(huán)作用下,考慮了IMC層的生長(zhǎng)與不考慮IMC層生長(zhǎng)相比,利用能