BGA可靠性表征項目：溫度循環(huán)試驗_百度文庫

1、BGA 可靠性表征項目:溫度循環(huán)試驗關(guān)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(dǎo)體、材料和系統(tǒng)供應(yīng)商,對適合高密度應(yīng)用的半導(dǎo)體封 裝極為重視。 目前 HDPUser 集團最需要的信息之一是根據(jù)溫度循環(huán)應(yīng)力試驗獲得 的第二級 BGA1 引 言HDP User集團是一個半導(dǎo)體、材料和系統(tǒng)供應(yīng)商,對適合高密度應(yīng)用的半導(dǎo)體 封裝極為重視。目前 HDP User集團最需要的信息之一是根據(jù)溫度循環(huán)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jīng)受了模擬的再加工條件。 接著所有電路板都要經(jīng)受溫度循環(huán), 并在試驗中接受電阻監(jiān)控。經(jīng)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(jié)構(gòu)在本項試驗中,有 4種不同的封裝經(jīng)受了試驗。它們的結(jié)構(gòu)如下:BGA1倒裝片 BGA :787腿, 35mm 外殼,芯片尺寸為 11mm 2, 1mm 節(jié)距,結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié) 構(gòu)為絲焊、金屬/有機壓層外殼、芯片向下和塑料封裝。3 PC板結(jié)構(gòu)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(cè)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(wǎng) 絡(luò)。 ? 試樣的裝配由摩托羅拉公司負(fù)責(zé)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(jīng)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(yù) 熱階段在內(nèi)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(nèi)。最高結(jié)溫達 220,電路板的最高溫度達 120。加熱方法 是底部預(yù)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(yù)烤 之后要完成 5次-4085的

5、預(yù)調(diào)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(yù)調(diào) 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(jīng)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)受到監(jiān)控, 以獲得中斷操作的 證據(jù)。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(nèi) 100電阻的增值。這些電阻增值 (或事 件 被認(rèn)為是失效,會按時間、循環(huán)次數(shù)和溫度標(biāo)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(jié)果。其它電路板被取出去作失效分析之前經(jīng)受了 3500次溫度循環(huán)。 6 結(jié)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?？紤]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(jié)果與模擬再加工電路板的結(jié)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(jù)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(jù)。此外,由于大量

8、器件在試驗結(jié)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(wǎng)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(yù)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(wǎng)絡(luò)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(jīng)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(yīng)力集結(jié)區(qū)開始, 然后在側(cè)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(jié) 論本次試驗得出的最明顯的結(jié)論是失效率與 DNP 之間有很大的相關(guān)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(guān)性,再加工過程對焊點可靠性也未產(chǎn)生負(fù)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(jié)構(gòu)對功率循環(huán)試驗數(shù)據(jù)進行比較。 不 過, 由于缺乏溫度循環(huán)試驗結(jié)束時的數(shù)據(jù), 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