CBGA组装焊点疲乏损伤的显微组织分析

温度环境试验过程中CBGA组装焊点涌现开裂征象，行业内的不雅观点认为失落效机理是由于大尺寸陶瓷封装和PCB板的热膨胀系数（CTE）失落配导致的焊点疲倦损伤，从材料微不雅观组织演化的角度研究焊点失落效机理的谈论还较少。

研究了CBGA组装焊点在不同周期温度冲击试验过程中涌现的焊点开裂征象，利用扫描电镜、透射电镜等前辈微不雅观剖析仪器进行微不雅观组织剖析，从晶界、晶相的角度研究焊点损伤的微不雅观机制，研究不同试验周期下焊点开裂的微不雅观组织演化过程，结果显示焊点开裂的微不雅观缘故原由与焊料内部的Pb偏析、晶粒粗化和沿晶断裂、材料蠕变引起的晶相位错等成分有关。

关键词: CBGA；Pb偏析；晶粒粗化；蠕变；位错

01弁言

航空航天用集成电路产品的高密度、大尺寸和高可靠性的需求，匆匆使CBGA、CCGA等高密度封装得到了快速发展，但由于高密度封装在构造、工艺和材料等方面发生的变革，高密度陶瓷封装在板级组装、环境试验过程中涌现焊点开裂损伤的征象变得较为常见[1-11]。

现阶段，很多整机单位针对焊点开裂及其办理方案都开展了大量的研究，已有干系的文献、宣布从试验和仿真仿照方面做了相应验证事情[1-8]。
目前针对在环境试验过程涌现的焊点疲倦开裂征象及仿照验证，表明陶瓷壳体和PCB板的热膨胀系数（CTE）失落配导致了焊点疲倦损伤[4-9]，对付更深层次的焊点开裂机制特殊是从材料微不雅观组织角度开展谈论的还比较少[4]。

本文以CBGA封装的组装焊点在温度冲击过程涌现的焊点损伤征象为研究工具，通过剖析不同试验周期下焊点疲倦损伤的演化过程，从晶体、晶界、晶相角度研究焊点疲倦损伤、开裂的微不雅观组织演化过程。

02微不雅观剖析工具

在微不雅观组织剖析过程中，扫描电镜、能谱仪和透射电镜是进行材料剖析不可短缺的工具。

扫描电子显微镜是微米级、亚微米级尺度表面描述不雅观察的最常用工具，可以得到精良的样品表面描述像和身分像，能谱仪则用于定量定性剖析晶相微不雅观组织的元素组成和分布。

透射电子显微镜可以实现纳米级分辨率，而位错是晶体材料内部常见的一种纳米级微不雅观毛病[12,13]，利用透射电镜对材料进行位错研究，能够有效区分有位错存在的区域和正常晶相区域，形成精良的衬度反差像，这是利用透射电镜不雅观察位错、晶相等微不雅观组织构造的基本事理。

03试条件和结果

3.1样品选择

试验样品选取具有较高代表水平的CBGA717高密度封装，封装大小为35mm35mm3mm，CTE约510-6/℃~610-6/℃，BGA焊球大小0.75mm，焊球节距为1.27mm，焊球材料为Pb90Sn10，焊料为共晶Pb63Sn37，焊点形状见图1，焊点尺寸见图2。

图 1CBGA焊球形状

图 2焊点尺寸

试验用PCB板材选择FR4，PCB板的标准大小为60mm60mm2mm，其CTE大小为910-6/℃~1210-6/℃，CBGA与PCB板之间的焊料为共晶Pb63Sn37，组装后的试验板见图3，组装后X射线检讨照片见图4，焊点的光学检讨照片见图5。

图 3组装后的试验板

图 4X射线检讨

图 5焊点的光学检讨3.2 试验条件

温度冲击范围为-55~125℃，每段温度的保持韶光为30min，循环次数500次，温度曲线如图6所示。

图6温度冲击曲线

3.3试验结果

将经历100、300和500次温度冲击后的样品在体视显微镜下进行不雅观察，创造100次温度冲击后CBGA封装最外围顶角处的焊点已发生形变，见图7；在300次温度冲击后，附近顶角处附近的几个焊点也涌现裂纹，见图8；500次后CBGA封装全体外围焊点险些全部涌现严重开裂征象，见图9。

图 7 100次温冲后焊点形变

图 8 300次温冲后焊点涌现裂纹

图9 500次温冲后焊点开裂

取300次温度冲击试验后的器件进行红墨水染色，用机器法从PCB板上撬下陶瓷管壳，焊点染色照片（局部）见图10，图11为根据开裂的严重程度（染色面积）绘制的相应Mapping图。

图 10 400次温冲后焊点染色照片（1/4区域）

图11焊点开裂对应的Mapping图（1/4区域）

04剖析

从温度冲击试验结果可以看出，外围焊球发生形变和开裂的程度比中央处焊点严重；在同一排焊球中，靠边角的焊球开裂程度比中间区域严重；同一焊球上，裂纹从焊球外侧向内发展，这些征象在仿照仿真的力学剖析过程中也得到验证[1-3,6,7-9]。
其余进一步的扫描电镜微不雅观组织剖析创造，除了存在以上宏不雅观裂痕外，在陶瓷管壳侧的金属间化合物（IMC）层与焊料交卸处可见微裂纹存在。

本文从铅锡共晶焊点内部的Pb偏析[14]、晶粒粗化和沿晶断裂、材料蠕变和位错等方面开展谈论，剖析微不雅观组织的演化过程与温度冲击试验过程中CBGA焊点根部发生宏不雅观变形、开裂征象的干系性。

4.1 Pb偏析

通过纵向切片制样，获取焊点中央附近的剖面，在扫描电镜背散射探头的身分像下可以创造宏不雅观裂纹起始于靠近管壳的一侧，并由焊球外侧（封装外部）向内发展，见图12、图13和图14。

个中图13为低循环次数的温度冲击后的焊点切片，可见有裂纹沿着背散射图像中较亮材料的边界萌生，经EDS能谱剖析，较亮材料身分为Pb，见图15。
这是由于Pb63Sn37共晶焊估中的Pb在焊接和温度冲击过程中发生偏析富集，形成低熔点脆性相，成为焊点毁坏的出发点，并供应了疲倦裂纹易于扩展的路子。
图14为沿富Pb区扩展后的宏不雅观缝纹。

图 12焊点开裂

图13裂纹的萌生

图 14裂纹发展为宏不雅观裂痕

图15Pb偏析的EDS能谱剖析

4.2晶粒粗化和沿晶断裂

共晶Pb63Sn37焊料的熔点Tmelt≈183℃，温度冲击试验的温度范围为-55~125℃，高温段远远大于0.3Tmelt，焊点材料在温度应力浸染下发生蠕变。
在温度冲击过程中CBGA陶瓷封装和PCB板材间的CTE失落配，引起焊点高下位置伸缩量不一致，在焊球根部发生更为明显的材料蠕变和疲倦损伤征象，材料组织内部晶粒在拉伸、压缩过程中涌现晶粒粗化，粗化的晶粒边缘是构造的薄弱部位，随着晶界边缘空洞萌生、裂纹涌现并沿晶界扩大、断裂，终极在宏不雅观上表现为焊点开裂。

图16为晶粒粗化和裂纹发展的演示图[15]，在图17中间区域可以清晰地看到Sn晶粒的边界，这些晶粒边界清楚，并伴有裂纹萌生，晶粒边界是这个区域的薄弱点，也是裂纹扩展的紧张路子。

图 16晶粒粗化和裂纹发展

图 17粗化的晶粒

4.3材料蠕变和位错

在共晶Pb63Sn37焊料熔点0.3~0.9Tmelt的范围内，在机器应力和温度应力条件下，位错迁移是引起蠕变的紧张缘故原由[13]。
个中，在0.3Tmelt~0.5Tmelt的情形下，晶粒间位错引起晶体点阵滑移以及晶界滑动，发生沿晶蠕变，匆匆使晶粒粗化，在位错浸染下通过聚合形成微裂纹；在＞0.6Tmelt的情形下则发生延伸性蠕变，这种蠕变过程伴随着晶体的动态再结晶过程，在晶粒内部不断产生眇小的晶粒，并由于存在位错而萌生细碎的微裂纹。

图18的透射电镜照片中，位于IMC层与焊料交卸处的区域（赤色箭头区）存在大量微粒纹，下方晶粒晶界处有长位错墙存在。
通过更大倍率不雅观察，可见微裂纹区存在比正常晶粒更小的细微晶粒，并伴有大量位错存在，见图19箭头处。

图 18位错浸染形成微裂纹

图 19微裂纹区的眇小晶粒和位错

05结论

本文研究了CBGA封装在板级组装后温度冲击试验过程涌现的焊点开裂征象，剖析了不同试验周期下焊点变形、开裂的演化过程，利用扫描电镜、透射电镜等前辈微不雅观剖析仪器进行材料学晶相剖析，从晶体、晶相角度研究引起焊点疲倦损伤、开裂的微不雅观组织演化过程。

通过对不同试验周期下焊点微不雅观组织的显微剖析，焊点开裂的演化过程与共晶焊料内部的Pb偏析、晶粒粗化和沿晶断裂、材料蠕变以及位错等成分有关。
焊点内部的Pb偏析富集的脆性相使之成为焊点开裂的出发点；焊点与基板间IMC层内由于材料蠕变产生位错而引发细碎微裂纹；焊点根部材料蠕变过程中的应力使得附近IMC层的焊料晶粒粗化，晶粒边缘成为晶界间的薄弱部位，终极发生沿晶断裂成为宏不雅观裂纹发展的路子。