塑料封装球栅阵列器件焊点的可靠性①张礼季，王莉，高霞，谢晓明（中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海新代车辆技术有限公司，上海200050）对比了充胶和未充胶塑料封装球栅阵列（PBGA）器件在一40°C温度循环条件下的热疲劳寿命，采用光学显微镜研究了失效样品焊点的失效机制，并分析了充胶提高器件热疲劳寿命的机制*左侧奸料球左上角处的裂纹长度*长，相应地，*右侧奸料球右上角的裂纹也*长，而中间位置的焊球即使在边角处也只有少量裂纹，并且4个样品的结果都一样。由此可以看出，热循环至500周时有的焊球裂纹已经接近芯片焊盘的一半，可视为临界失效。

　　000周未充胶样品，亦随机抽取4个进行剖面。

　　000周样品的裂纹情况，即可推断裂纹由焊球左右两端萌生，并且随着热循环的进行逐渐向中间扩展。

　　2.1.2已充胶样品的焊点寿命为了研究充胶对PBGA样品热疲劳寿命的影响，作者还对4个充胶样品进行了热循环），而另一部分组织很粗糙（如箭头2所示）。局部放大组织如（b）所示。EDS结果表明：粗糙区域是锡铅银焊料，而组织致密平整的区域为金属间化合物，并且器件端和基板端的IMC成分并不一样。表2所列是器件端和基板端IMC成分分析结果。

　　从表2中两种金属间化合物的摩尔分数可以推断出：光学显微镜下靠近芯片焊盘的那层IMC为Ni3Sn2，而靠近焊料的那层IMC为NiSn3.虽然在2000周未充胶样品断口形貌图表2器件端和基板端IMCSn，Ni元素含量现有的平衡相图中有过类似的报道。断口分析可以得出这样的结论：裂纹有两种扩展机制，有的裂纹沿着芯片焊盘附近焊料内部的粗大晶粒扩展，有的则沿着两层金属间化合物的界面扩展。由于Ni3Sm和NiSn3界面相对平直，因而断口致密平整。

　　另外，光学显微镜观察还发现，不同位置的焊球断口IMC区域所占面积分数并不相同。焊球阵列中间位置的焊球中，IMC所占断口面积比例较大，而阵列边缘部分的焊球焊点主要是在界面附近的焊料内断开，如所示。

　　不同焊球断口形貌断口分析发现断面包含两个IMC区域，说明有的裂纹沿着芯片焊盘附近焊料内部的粗大晶粒扩展，有的则沿着两层金属间化合物的界面扩展。

　　裂纹萌生由焊球近硅芯片界面处的左右两端萌生，随着热循环的进行逐渐沿该界面向中间扩展。界面处裂纹的萌生和扩展是应力应变集中、焊料组织粗化、脆性金属间化合物的生成等各金属学和力学因素共同作用的结果。

　　致谢盛玫、于丽红小姐和肖克来提博士曾协助作者做扫描电镜实验；另外，肖克来提、张群、程波三位博士还给作者提出许多有价值的建议，在此向他们表示衷心的感谢！

　　3结论内已有裂纹产生，不能满足某些领域对器件的高可靠性要求。

　　2）充胶可以使热应力在焊点阵列内均匀分布，并大大降低*大应力值，从而改善PBGA的热疲劳寿命，实验表明即使经过2000周的温度循环，除了界面附近的组织粗化之外，焊点没有开裂的迹象。

　　3）不同的焊球、甚至同一焊球的不同位置，裂纹萌生位置和扩展的遍度也不相同。ElectorPublishingieo1免byoire.aM猫（编辑杨兵）