1、BGA 可靠性表征項目:溫度循環(huán)試驗關鍵詞 :高低溫試驗箱 高低溫交變試驗箱 高低溫交變箱 高低溫交變濕熱試驗箱 高 低溫濕熱試驗箱 恒溫恒濕箱 恒溫恒濕試驗箱 振動臺HDPUser 集團是一個半導體、材料和系統(tǒng)供應商,對適合高密度應用的半導體封 裝極為重視。 目前 HDPUser 集團最需要的信息之一是根據溫度循環(huán)應力試驗獲得 的第二級 BGA1 引 言HDP User集團是一個半導體、材料和系統(tǒng)供應商,對適合高密度應用的半導體 封裝極為重視。目前 HDP User集團最需要的信息之一是根據溫度循環(huán)應力試驗 獲得的第二級 BGA 可靠性或封裝-電路板可靠性。 HDP User集團制定了一個評

2、 價第二級 BGA 可靠性的研究項目。 項目小組是由幾個公司的研究人員組成的。 不 同結構的封裝是從課題組成員所在的公司中獲得的。 這些器件被安裝在印制電路 板上。 一些電路板經受了模擬的再加工條件。 接著所有電路板都要經受溫度循環(huán), 并在試驗中接受電阻監(jiān)控。經過 3500次循環(huán)之后,電路板從試驗箱中取出,一 些器件被選擇用來作失效分析。2 受試封裝結構在本項試驗中,有 4種不同的封裝經受了試驗。它們的結構如下:BGA1倒裝片 BGA :787腿, 35mm 外殼,芯片尺寸為 11mm 2, 1mm 節(jié)距,結構為 共晶倒裝片焊球、有機載體和金屬蓋。BGA2柔性 BGA :381腿, 35mm

3、外殼,芯片尺寸為 10.8mm 2, 1mm 節(jié)距,結構為 絲焊、柔性襯底、芯片向上和過模制外殼。BGA3 TBGA(載帶球柵陣列 :352腿, 35mm 外殼, 芯片尺寸為 15.1mm 2, 1.27mm 節(jié)距,結構為絲焊、金屬/載帶外殼、芯片向下和塑料封裝。BGA4超級 BGA :352腿, 35mm 外殼,芯片尺寸為 15.2mm 2, 1.27mm 節(jié)距,結 構為絲焊、金屬/有機壓層外殼、芯片向下和塑料封裝。3 PC板結構與裝配所有的電路板都是 FR4, 10個金屬層, 0.062時厚。器件被安裝在單側上。電路 板的尺寸為 8.25×8?。有 11個 BGA 元件被安裝在電

4、路板上,組成了一個樣品網 絡。 ? 試樣的裝配由摩托羅拉公司負責完成, 該公司還為本課題提供型板、 工具、 勞動力、材料和試驗。4 模擬的再加工 ?9塊電路板中有 2塊經受了模擬再加工條件。 在模擬再加工電路板上所有 BGA 器 件都在規(guī)定的溫度剖面循環(huán) 2次, 但不從電路板上拆除。 模擬再加工剖面包括預 熱階段在內的 4個階段。每次階段有 40秒停機時間,每次循環(huán)約為 4分鐘,包括冷卻在內。最高結溫達 220,電路板的最高溫度達 120。加熱方法 是底部預熱加上壓入熱空氣。5 試驗方法溫度循環(huán)試驗之前, 電路板被焙烤 6小時左右, 以清除所積累的潮氣。 緊接預烤 之后要完成 5次-4085的

5、預調循環(huán)。這些循環(huán)剖面包括 15分鐘的上升和停止時間,每次循環(huán)共需 60分鐘 (這樣做的目的是模擬發(fā)運環(huán)境條件 。緊接預調 循環(huán)之后, 電纜引線被人工焊接到電路板觸點上, 以供溫度循環(huán)期間作實時電阻 測量之用。 溫度映象是通過給帶熱電偶樣品接上儀表來實現(xiàn)的, 樣品被置于實際 溫度循環(huán)箱中。 這樣做是為了保證所有器件在溫度循環(huán)試驗中都受到相同的輸入 溫度激勵。被硬化和監(jiān)控的樣品經受了 3500次溫度循環(huán),每次循環(huán)的時限為 40分鐘,上升和停止時間各為 10分鐘。溫度是在 0100范圍內循環(huán),正如在封 裝上表面測量的那樣。 在溫度循環(huán)期間, 樣品網絡受到監(jiān)控, 以獲得中斷操作的 證據。這項工作是通

6、過把樣品接入 2×256信道的 Analysis Tech事件檢測儀來 實現(xiàn)的。該儀器能探測到 200毫微秒內 100電阻的增值。這些電阻增值 (或事 件 被認為是失效,會按時間、循環(huán)次數(shù)和溫度標記下來,并保持事件的記錄。 除了這種現(xiàn)場事件檢測與監(jiān)控以外, 還要每 500次循環(huán)測出樣品網絡的電阻。 要 在 100溫度條件下使樣品的溫度得到穩(wěn)定, 并用 4線測試儀測出樣品網絡的電 阻。 1塊再加工電路板即電路板#78在 1500次循環(huán)時被取出,以獲得一些失效 分析結果。其它電路板被取出去作失效分析之前經受了 3500次溫度循環(huán)。 6 結果從一幅威布爾曲線圖中可發(fā)現(xiàn),倒裝片 BGA 的失

7、效分布與其它 3種封裝的不同, 此外,失效模式也不同,特別是在芯片封裝焊點的失效數(shù)也不同。考慮到其它 3種樣品中每種封裝的大多數(shù)都仍未失效, 威布爾曲線基本相同。 只有很少早期器 件失效數(shù)不影響威布爾曲線, 這些曲線顯示試驗完成時眾多器件仍未失效。 另一 幅威布爾曲線圖則把原始電路板的結果與模擬再加工電路板的結果作了對比。 在 這種情況下, 從超級 BGA 、 TBGA 和柔性 BGA 中獲得的數(shù)據進行了綜合, 以便得到 理想的樣品量。 這種方法的判斷是, 這三種器件的失效分布極為相似。 原始電路 板與模擬再加工電路板具有相似的失效分布, 也未獲得兩個樣品之間有重大差別 的數(shù)據。此外,由于大量

8、器件在試驗結束時仍未失效,所以早期失效數(shù)很少。 7 倒裝片 BGA 的失效分析失效器件中的 1個隨機樣品曾接受過失效分析。失效分析按下列流程進行: 用歐姆計探測,以檢驗開路; 作 X 射線映象檢查; 作橫截面失效網檢驗; 對橫界面作 SEM 檢驗。倒裝片器件是用芯片-襯底連接而不是預測的襯底-電路板連接中的失效數(shù)來表征的。 失效 的倒裝片的 BGA 網絡全部都有這種特征。在電路 裝配過程中會出現(xiàn)芯片-襯底焊點損傷。 這種損傷必須通過仍未裝配到電路板上的相同批中的器件的 X 射線和橫截面分析來檢驗。芯片-襯底焊點的操作并不是由于模擬再 加工過程造成的。原始電路板和再加工電路板都有這種特征。從照片

9、分析過程中, 焊點失效是以焊接合金的粗化、 金屬間化合物大量生成以及焊點融化與 沾污來表征的。研究人員對這些失效原因的猜測包括裝配過程中襯底的分層和/或撓曲。8 其它 BGA 的失效分析失效載帶 BGA 、柔性 BGA 和超級 BGA 器件的一個隨機樣品曾經受過與上述相同的失效分 析。 在任何情況下都能發(fā)現(xiàn)封裝-襯底焊點失效。 失效模式是開裂, 首先從封裝-焊球界面 的焊球的應力集結區(qū)開始, 然后在側面沿著相同的界面擴展。 在焊點上未觀測到大量金屬間 化合物生成。9 結 論本次試驗得出的最明顯的結論是失效率與 DNP 之間有很大的相關性。但失效率與封裝和它 在電路板上的位置之間似乎沒有相關性,再加工過程對焊點可靠性也未產生負面影響。 可靠性表征項目的第二階段是用相同的器件和電路板結構對功率循環(huán)試驗數(shù)據進行比較。 不 過, 由于缺乏溫度循環(huán)試驗結束時的數(shù)據, 比較會存在局限性。 這是因為大多數(shù)器件在溫度 循環(huán)中未失效,故威布爾曲線很可能不精確。對于 3種 W /B 封裝來說,在 3500次循環(huán)中的失效不足 20%,未達到曲線的 50%。這是由 于低于 1000次循環(huán)時的失效率高于超過 1000次循環(huán)時的失效率。 被分析的器件都是屬于早 期失效種類的器件。早期失效可能是由于可進