BGA焊点可靠性研究综述Review of Reliability of BGA Solder Joints陈丽丽,李思阳,赵金林（北京航空航天大学,北京100191）Chen Li-li,Li Si-yang,Zhao J in-lin(College of Reliability and System Engineering,Beihang University,Beijing100191）摘要：随着集成电路封装技术的发展，BGA封装得到了广泛应用，而其焊点可靠性是现代电子封装技术的重要课题。

该文介绍了BGA焊点可靠性分析的主要方法，同时对影响焊点可靠性的各因素进行综合分析。

并对BGA焊点可靠性发展的前景进行了初步展望。

关键词：有限元；焊点；可靠性；BGA中图分类号：TN305.94文献标识码：A文章编号：1003-0107(2012)09-0022-06 Abstract:With the development of IC packaging technology,BGA is widely used,the reliability of its sol-der joints has became an important subject of modern electronic packaging technology.In this paper,a common method to analysis the reliability of BGA solder joints is introduced,various parameters which were displayed and the factors of influence on the solder joints,reliability were analyzed simultaneity. Based on above,we have an expectation of development foreground of the reliability of BGA solder joints.Key w ords:finite element;solder joint;reliability;BGACLC num ber:TN305.94Docum ent code:A Article ID：1003-0107(2012)09-0022-060引言近年来，高功能，高密度，高集成化的BGA封装技术成为主流的封装形式，其焊点可靠性是现代电子封装技术的重要课题。

电子封装技术的飞速发展，不断为焊点可靠性的研究提出新课题。

传统焊点可靠性研究主要依靠实验，近年来有限元模拟法成为焊点可靠性研究的主要手段；微观显示技术的发展，为分析焊点构成成分变化及裂纹产生，发展提供有力的支持；无铅化进程，针对焊点在不同载荷条件下材料性质成为当前研究的热点；不断涌现出大量新型BGA封装形式，其内部结构，尺寸以及空洞对焊点可靠性的影响有待进一步的研究；板级焊点的可靠性也越来越得到重视。

本文主要针对以上几个问题进行综述分析。

1焊点可靠性研究方法传统的焊点可靠性研究主要依靠实验，随着电子产品的微型化，焊点向着更加微小的方向发展，应用实验方法对其可靠性进行分析面临很大的困难。

有限元模拟法[1]，将一个结构分离成若干规则的形状单元，并在空间用边界模型来定义每一个单元就可求解整体结构的位移和应力，利用该方法研究焊点的可靠性也成为热点。

针对单独使用实验方法与有限元模拟方法的局限性，现阶段焊点可靠性的研究多采用实验与有限元模拟方法综合使用的方法。

分析方法流程汇总如图1所示。

电子显微技术的发展，使得测试手段多样化发展，检测结果更为准确，对于焊点内部化学成分及结构的变化观察更为直观，能够更好地了解其失效原因，失效部位的形成及发展。

下面汇总几种常见的测试方法如表1所示。

2器件级焊点可靠性影响因素器件封装技术的飞速发展，封装结构，尺寸和材料都发生了较大变化。

近年来，专家学者对这类器件级焊点可靠性的影响因素进行了大量研究，下面针对其研究成果进行总结概括。

2.1新型BGA封装结构2.1.1热增强型BGA随着电子封装向高密度，薄型化的方向发展，封装的尺寸越来越小，器件的功率越来越大，对芯片的热可靠性提出了更高的要求，为减小热阻，提高热性能，产生了多种热增强型BGA，其主要特点是在BGA封装的底部中间位置(芯片)加有一个散热的铜块或铜片，增加热传导能力，主要用于高功耗器件的封装。

其主要结构作者简介：陈丽丽(1986-)，女，硕士研究生，研究方向为系统安全及可靠性。

22测试方法测试结果应用范围白光干涉仪几何尺寸，Z方向位移，分辨率：纳米应用于常温环境，样本表面较为平整电子散斑干涉仪(ESPI)3方向位移及形变，分辨率：>20纳米实验环境温度范围：-40℃～150℃，组件级(包括焊点)云纹干涉仪面内方向位移及形变，分辨率：亚像素实验测试环境，同ESPI，其等位移线可以直接与有限元模拟方法得到结果对比数字图像相关(DIC)面内方向位移及形变，分辨率：亚像素实验测试环境，同ESPI，观察范围较大，(>cm到1/10像素)，可以与显微镜及SEM结合硅芯片测试发生位移芯片的应力及应变，分辨率：M Pa器件级测试，连接在电路内，可应用于现场环境X射线反射晶体材料的弯曲半径(如硅材料)实验环境温度：-40℃～120℃，原则上可以进行内部封装测试X射线衍射晶体材料的机械应力及应变(如硅材料)实验环境温度：-40℃～120℃，原则上可以进行内部封装测试扫描电子显微镜(SEM)面内方向位移，分辨率：纳米观察形貌的同时，作微区成分分析表1常见测试方法[2]如图2所示。

Tong[3]等人对比了多种新型具有耐热功能的BGA封装，包括：传导冷却型BGA(C2BGA)，金属芯型BGA，带散热块型BGA，带散热片型BGA等。

研究表明，芯片粘接材料及散热块粘接材料对其焊点可靠性的影响均较小，其热疲劳寿命与封装的翘曲度成正比，减小封装的翘曲度能有效地提高焊点可靠性，带散热片型BGA具有良好的热传导性，焊点的疲劳寿命最长。

图1实验与有限元模拟综合使用方法图2带散热块型BGA结构示意图232.1.2具有嵌入式芯片的系统封装型BGA近年来，小型化和多功能化成为电子设计的主要趋势，为了满足这些趋势，出现了具有嵌入式芯片的系统封装型BGA ，对于其焊点可靠性的研究仍然比较少。

其封装结构示意图如图3所示。

Seon [4]等人通过实验与有限元分析结合的方法对该种封装与传统BGA 封装在相同温度循环条件下进行对比，发现嵌入式芯片改变了最大蠕变应变的位置，将最大蠕变应变值位置有传统的边缘区域焊球转移到中心区域焊球，但是并未改变其最大蠕变应变值，而该值主要受到基板填充材料的影响。

2.1.3高分子核心焊点BGA2000年，Sekisui 公司生产了一种新型焊点结构的高分子核心焊点型(M PS)BGA ，其焊料内部包含有高分子化合物。

焊点结构如图4所示。

Gallow [5]等人通过研究发现该封装可以将焊点的热疲劳寿命提高1.5～4倍。

Rolf [6]等人通过实验及有限元模拟方法针对该新型焊点进行研究，发现该种焊点经过焊接过程后，焊点基本无塌陷，焊点高度基本不变化，在热循环过程焊点的应力集中在焊点与器件连接处，并且应变值与焊点半径及焊盘半径成正比，能较好地提高焊点的热疲劳寿命。

2.2材料属性2.2.1焊料材料近年来，无铅进程快速发展，但由于无铅化过程减少铅在合金中的使用却丧失了铅锡合金的各种优点，给工艺制造过程带来了很大的挑战。

现阶段有铅焊料仍有较多应用，因此研究无铅焊料及混合焊料的可靠性有着重要意义。

现阶段存在的几种混合焊点形式主要有：向前兼容型焊点，即有铅组件结合无铅焊料；向后兼容型焊点，即无铅组件结合有铅焊料，该种焊点又分为一致结构型和非一致结构型两种。

其中，一致结构型焊点焊接时采用无铅回流焊温度曲线，非一致结构型焊点焊接时采用有铅回流焊温度曲线。

Jiang [7]通过有限元模拟方法对上述几种混合焊料在温度循环条件下的可靠性进行研究，结果显示无铅及向前兼容性焊点的热疲劳寿命高于先后兼容型焊料和有铅焊料。

SAC(Sn-xAg-Cu)焊料作为广泛使用的无铅焊料，大量学者对其可靠性进行了研究，结果表明，热疲劳周期随着SAC 焊料中Ag 成分的增加而提高[8]，但其跌落寿命会随之降低[9]。

2.2.2基板材料焊点失效主要是由于芯片和基板由于外界载荷激励发生翘曲，引起焊点与与之相连接的部分发生位移，引起裂纹产生，生长，最终导致失效，所以基板材料的性质也是影响焊点可靠性的影响因素之一。

Shoulung [10]等人通过实验研究了基板材料的性质对芯片和基板翘曲度的影响，研究基板材料的杨氏模量值增大时，芯片和基板的翘曲度均增大，而当基板的热膨胀系数增大时，芯片的翘曲度增大，基板的翘曲度则会减小。

2.3封装尺寸封装尺寸同样是影响焊点可靠性的主要因素，现对部分封装尺寸对焊点可靠性的影响进行总结，如表2所示。

然而，由于部分影响因素并不相互独立存在，各影响因素之间存在相互关系，简单的相关性分析并不能清晰地表述各影响因素的关系，不能为封装可靠性设计人员提供有效的指导。

Qiang Yu [14]提出了聚类分析的方法，将各影响因素根据相关性进行分类，根据分析结果，设计工程师可以评价每个因素的影响，在概念设计阶段对基本设计方案进行有效的可靠性评估。

2.4载荷条件焊点可靠性受到载荷条件的影响，在不同的载荷类型下，表现出不同的失效模式，其寿命同样受到载荷形式及载荷量级的影响。

不同学者对此作了大量研究，将载荷料件对焊点可靠性的影响汇总如表3所示。

2.5空洞无铅焊料和有铅焊料具有不同的浸润性，在使用无铅焊料时易形成空洞，研究人员针对空洞的大小，数量及位置对焊点可靠性的影响进行大量研究。

Robert [17]通过X 射线对SAC 焊点进行观察，得到空洞位置及大小，空洞约占焊点面积的10%，利用有限元模图3具有嵌入式芯片的系统封装型BGA结构示意图图4MPS 型焊点内部聚合物截面图24表3载荷条件对焊点可靠性的影响汇总拟的方法进行建模，并加载温度循环载荷。

研究发现，空洞并非均造成焊点裂纹产生与生长，裂纹通常由焊点的外侧产生延伸到焊点内侧。

空洞位于蠕变带，其蠕变应变在每个温度循环的作用下增大2倍。

M ike[18]等人研究发现在空洞远离焊点界面区域和蠕变生长线处时对焊点的疲劳寿命造成的影响较小。

相反，具有提高焊点热疲劳寿命的作用；在此基础上，在保留空洞总面积占焊点截面面积20%的条件下，改变空洞数量，单一空洞作用下焊点热疲劳寿命最高。