王文慧 ,赵兴科 ,王世泽 ,赵增磊

(1.北京科技大学顺德研究生院,广东 佛山 528399;2.北京科技大学 材料科学与工程学院,北京 100083)

球栅阵列(BGA)封装通过焊球将芯片与基板互联,焊球同时承担电气连接和机械连接的作用。BGA封装具有集成度高、导电性和散热性好等优点。然而,由于焊球隐藏在芯片底部,BGA 焊球焊点的检验和维修困难,因此,提高BGA 封装器件的使用寿命,避免其早期失效显得尤为重要。研究表明,焊点失效是BGA 封装中最常见的失效形式[1-3],而焊点失效的主要原因是温度导致的焊点热疲劳[4]。BGA 焊点的热疲劳失效与BGA 封装的热失配密切相关。在BGA 封装中,各组成材料的热膨胀系数(CTE)存在差异。当温度发生变化时,各组成材料的收缩与膨胀趋势不一致,导致材料之间产生热应力。BGA 封装器件在使用过程中经受反复的温度变化,对焊球焊点施加了循环作用力,使焊点发生热疲劳损伤,最终导致BGA 焊点的热疲劳失效[5-7]。此外,BGA 封装材料的CTE 失配也会对芯片产生应力作用,加速芯片的功能退化[8]。

BGA 焊球目前主要采用无铅锡基合金制造。这种焊球的成分与BGA 封装的焊膏成分相近,在回流焊过程中能够与焊膏一起熔化形成单一成分的焊点。这种BGA 焊球与硅芯片及芯片基板的CTE 失配较大,导热性较差,使得BGA 焊点的热应力较大,热疲劳损伤比较严重[9]。

提高BGA 封装热可靠性的重要途径是减小BGA封装组成材料的CTE 失配以及改善焊点的导热性。为此,人们尝试了在现有BGA 焊球成分的基础上加入一些合金元素,如铋、镍、锌和钛等。……