BGA焊点剪切性能及界面结构的研究

李晓明 冯波 任康

摘 要： 目前BGA器件越来越广泛地应用在电子产品上。电子产品正朝向轻量化、便携化等方向发展，对BGA技术进行研究升级也迫在眉睫。BGA封装因为其顺应目前电子产品轻量化、便携化的发展趋势，被越来越多的企业应用到焊接工艺中。元器件是否可靠的关键在于焊点的剪切性能。文章通过研究BGA焊点剪切性能和界面结构，提出几点建议。

关键词： BGA焊接;剪切性能;界面结构

随着人民群众生活的物质水平越来越高，电子产品逐步向轻量化、便携化等方向发展，对电路组装技术以及input/output引线数的技术水平要求也逐步提高。为了提高BGA焊接后的焊点质量和可靠性，文章就改善BGA剪切性能以及其界面结构进行研究。

1 BGA简介

BGA的全称是Ball Grid Array（球栅阵列），它是集成电路采用有机载板的一种封装法。BGA技术的优势是增加了input/output引脚数，且焊接成品率相对较高。与周边引线IC器件相比，BGA器件的厚度相对较小，从器件基板到印制板焊盘之间的引线距离减小，这不仅减小了寄生参数，而且降低了信号延迟。器件是否可靠关键在于焊点是否拥有较高的抗剪切性能。文章对BGA焊点抗剪切性能及界面结构进行了深入分析。

2 实验分析

2.1 Sn Ag Cu/Cu焊點时效前后的剪切强度

用均匀射流断裂法生成Sn-3.8Ag-0.7Cu-xRE（x=0，0.1%，0.25%，O.5%，质量分数，下同）BGA微焊球。设定操作温度为 250℃，喷嘴直径为0.2mm。试验具体操作如图1，板厚为05mm， 焊盘直径为0.6mm焊盘下金属为。Au/Ni（P）/Cu，厚度分别为25～32/10～15/0.5μm。把第一次回流的基板倒放在另一块基板上，建议实验的时候在两接头之间放入等高垫片，模具进行第二次回流操作，这样可以确保焊球塌陷后的高度保持一致。

使用LLOYD系统-LRX微拉伸试验机分别以0.001，0.01，0.5mm/s速率对焊点进行剪切试验。对于每种成分、每种剪切条件分别进行20次试验，拉断后用显微镜进行拉伸结果观察。测量10次试验的平均值，之后计算标准平均差和标准偏差。保留拉断后的接头，用专业显微镜观察实验过后的截面情况。

2.2 实验结果分析

一般情况下焊点经过一次回流焊和两次回流焊肉眼看不出太大差别，但是在专业的显微镜下还是能看出纤维组织有一定差别的。图2为Sn-3.8Ag-0.7Cu（SAC）焊点显微组织。经EDX分析可知，此层化合物由Cu∶Ni∶Sn=25.93∶28.45∶45.62组成，可确定为（Cu，Ni）6Sn5。

当钎料内部的稀土化合物成片状、不聚拢时，表明稀土含量>0.25%。在焊接过程中，RE原子的表现会吸附在晶界处，所以液态合金的状态很少有晶体的存在，RE元素极少，稀土相形式表明存在RE只有少量，分布于晶界处。

3 时效焊点对界面组织结构的影响

在电子封装结构中，焊点为各级互联提供了电传导性和机械稳定性。焊点是否可靠取决于IMC层。改变焊点机械性能的有效方法，就是改变焊点的显微组织。因此研究钎料与金属界面之间IMC层，形成机理及生长动力学非常之必要，这将有利于从根本上改善焊点的质量。

为研究钎焊界面IMC层在实际服役过程中的生长演变规律，本文在160°C分别进行100h、200h等温时效试验，并对界面IMC厚度进行了测量，使用origin软件将测量的IMC层厚度数据作图，如图3所示。

相同直径焊点界面IMC厚度随着时间的加长在不断增大。这是由于焊点在老化过程中，Cu原子能不断地获得能量，然后基板的Cu开始向焊料中扩散，焊料中的Sn原子同样获得能量，向基板方向靠近，因此在界面形成的IMC增厚趋势，界面扇贝状的化合物变得平缓，其重要因素是时效的增长。

4 结论

（1）微量RE（>O.25%）焊点的塑性和强度大大降低。

（2）如果想提高焊点的强度和塑性可以适当改变焊接速率。

在当今这个信息瞬息万变的时代，要做好信息的收集和技术的升级换代工作。不仅要提升我国的电子技术水平，更要向世界先进技术学习，取之精华。文章中对于研究BGA焊点剪切性能以及界面结构的研究，可以为BGA元器件焊接提供参考和依据。

参考文献：

[1]谷柏松.BGA焊点剪切性能及界面结构的研究[D].哈尔滨理工大学，2013.

[2]朱奇农.电子封装中表面贴装焊点的可靠性研究[D].中国科学院上海冶金研究所，2000.