BGA封裝器件焊球剪切實驗及模擬研究.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、信號延遲少等優(yōu)點。BGA器件通過焊球與PCB(Printed Circuit Board)連接以形成高一級的功能模塊。因此焊球是BGA器件失效的關(guān)鍵部位。近年來,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等無鉛焊料。由于裝配及使用過程中的機械力、振動；封裝工藝過程中,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,進而使BGA封裝器件失效。尤其是焊球采用新的無鉛化工藝后,BGA焊球的失效研究尚不充分。因此,研究無鉛焊球性能對BGA封裝器件的實際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。
　　 本文對Sn-Pb、Sn-Ag3.0-Cu0.5、Sn-Ag3.0-Bi3.0-Ni0.5焊球在不同工藝參數(shù)條件下形成的焊點進行了不同速率的剪切實驗。對回流次數(shù)、峰值溫度、剪切速率的變化等因素對焊球剪切強度的影響、焊球斷面的微觀組織結(jié)構(gòu)、

3、斷裂形式的觀察進行了較為深入的研究。針對IMC層對焊球焊接強度的影響,本文對IMC層在回流焊過程中的生長進行了研究。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)合剪切測試數(shù)據(jù),定性分析了IMC層對焊球連接界面強度的影響。對長時間熱循環(huán)載荷下IMC層厚度變化對焊球疲勞壽命的影響,本文采用有限元法進行了計算分析研究。采用改進算法,在計算過程中引入了IMC厚度的變化,利用能量法預(yù)測了焊球壽命。本文還采用

4、有限元法對焊球中孔洞對溫度、熱應(yīng)力分布的影響進行了研究。本研究表明,焊球剪切強度隨剪切速率持續(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焊球剪切強度高于Sn-Ag3.0-Cu0.5焊料,回流溫度,次數(shù)通過IMC層的變化對無鉛焊球剪切強度產(chǎn)生影響。IMC過厚會導(dǎo)致剪切強度下降;計算模擬結(jié)果顯示,溫度循環(huán)作用下,考慮了IMC層的生長與不考慮IMC層生長相比,利用能