BGA焊点可靠性研究综述

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;BGA

CLC num ber:TN305.94Docum ent code:A Article ID：1003-0107(2012)09-0022-06

0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

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