英特尔公司,Fay Hua , Raiyo Aspandiar , Cameron Anderson ,
Greg Clemons ,  Tim Rothman , Mimi Klier
IPC协会  彭丽霞译

摘 要

在电子产品向无铅化过渡的时期，组件供货商可能面临两种境况：生产线无铅化和含铅的组件。这会给制造带来很多问题。最根本的解决办法是采用完全无铅的组件。这项研究就是假设在组件无铅的前提下，探讨采用锡-铅共晶锡膏焊接无铅的锡-银-铜BGA焊球的焊点可靠性。

这篇实验报告介绍了针对无铅封装的VFBGA（极细间距BGA）和SCSP1,2（堆式CSP）器件，对采用锡-铅共晶锡膏焊接在PCB上的焊点的可靠性进行了评估。这些实验是在标准的锡铅组装条件下采用不同的回流曲线完成的。分别采用了有均温段的曲线和无均温段的斜坡式曲线，峰值温度范围在208℃~222℃。焊接后的组件经受了板级温度循环（-40℃~125℃，30分钟循环一次）和跌落实验。文中给出了详细的失效分析。

关键词：焊点；可靠性； BGA； 无铅； 锡-铅焊料与锡-银-铜焊料的兼容性。

引言
在从含铅转向无铅的过渡时期内，同一家公司或同一个客户有可能同时使用含铅和无铅的材料。为了减少可能需转换生产线的次数，以及由于在同一条生产在线使用含铅和无铅的焊料带来的生产环境的变化，Intel 公司组织的这次评估活动，对采用锡-铅共晶锡膏，把锡-银-铜BGA组件焊接到印制电路板的技术可行性，以及材料的混合使用对焊点可靠性的影响进行了探讨。

实验结果理想的话，生产在线只使用一种焊料是有可能的，对芯片封装厂和OEM厂都有利。如果采用锡-铅共晶锡膏焊接锡-银-铜BGA组件的工艺在技术上可行的话，这就为OEM客户提供了有力的依据，对于无铅的BGA 焊球组件，不管采用何种工艺和材料焊接，都可以放心地接受，并且不必担心焊点可靠性的问题。

自提倡无铅以来，电子行业非常关注锡-银-铜BGA封装是否与锡-铅焊料兼容。而原有的可用数据非常有限，有些数据甚至是相互矛盾的。Motorola公司的Geoff Swan和Soletron公司的 Jasbir Bath，参加了美国国家电子制造开发署（NEMI）的无铅任务组，评估了他们的逆向兼容性3，4。Motorola公司和Soletron公司分别对锡-银-铜和锡-银BGA封装进行了实验。锡-银-铜BGA焊球的组分比重是锡-3.8%银-0.7%铜，熔点为217℃，回流区峰值温度为220℃，此时的BGA焊球不会完全熔化。PBGA焊球的间距是1.27mm。第二种是锡-3.5银焊球，熔点为221℃，在210℃峰值温度下回流，在这种情况下，BGA焊球在回流期间不会熔化。在实验中评估了不同的塑料封装，采用了不同的试验方法。结果表明，锡-银-铜或共晶锡-银 BGA焊球，采用锡铅焊膏获得的焊点可靠性，与传统锡铅焊点比起来相差无几。最近，日本的JEITA项目评估了CSP的逆向兼容性。该项目考察了两种锡银铜 BGA焊球，组分比重分别为锡-3.0%银-0.5%铜（熔点为217℃-218℃），和锡-1.0%银-0.5%铜（熔点为217℃-224℃）。峰值温度在234℃，回流期间183℃以上的时间相当长，BGA 焊球能够充分熔化。温度循环(-40℃-125℃，60分钟循环一次)试验结果显示这两种锡-银-铜BGA焊球在OSP表面用锡铅焊膏连接的焊点比锡铅焊球的封装好。但是，在化学镀镍-沉金表面，锡-银-铜BGA焊球用锡铅焊膏连接的焊点比锡铅焊球封装要差，这一结论对所有锡-银-铜焊点类似。德州仪器（TI）也对TBGA封装内部无铅BGA焊球的逆向兼容性进行了评估。在TI 的实验中，用锡铅焊膏在235℃的峰值温度下回流，将锡-银-铜BGA焊球连接到 PCB上。结果显示，在裸铜表面、0.8mm 间距封装的锡-银-铜 BGA 焊球，获得的焊点可靠性，比锡铅焊球封装稍差；而在化学镀镍-沉金表面比锡铅焊球封装稍好。不过，对于0.5mm间距的封装，如果BGA焊球用锡-2.5银-1.0铋-0.5铜，用锡铅焊膏连接的焊点可靠性比锡-37铅BGA焊球就会差很多。实施这项研究是为了评估在Intel推荐的回流条件下，用共晶锡-铅焊膏焊接锡-银-铜BGA焊球所形成的焊点的可靠性，并与锡-铅BGA焊球作比较。对回流曲线峰值温度高于220℃（BGA焊球熔点以上）和低于220℃（BGA 焊球熔点以下）都作了评估。文中提供了详细的失效分析和显微结构图。

 实验

测试工具说明

实验中使用了2个高密度组装测试板，即VFBGA和SCSP。

VFBGA封装见图1，硅芯片通过邦定连接到极薄的基板上。实验所用的VFBGA，总封装高度是1.0mm，间距0.5mm，植球之前量得的锡球直径是0.3mm。SCSP是一个塑模 BGA 封装，可以装入2个或更多的CSP芯片。这种堆式封装的可测量性只受限于芯片组合和最大高度（见图2）。这个SCSP的总封装高度是1.4mm，间距0.8mm，植球之前量得的锡球直径为0.4mm。

这项评估使用的PCB板材是6层（1+4+1，中间4层，表面2层）FR4，在树脂覆铜表面制作微孔。这种 PCB，是仿效移动通讯装置上使用的PCB，总厚度为0.8-1.0mm。在这项研究中，使用了两种表面，即化学镀镍-沉金5表面和Entec? Plus OSP7。每块板上有10个组件单元。1-5单元的印制板表面安装焊盘100%的都带过孔，6-10单元是无过孔表面组装焊盘。板子的尺寸和组件贴放位置见图3。