倒装芯片 PBGA 功率循环和热循环之间的比较
Andrew Mawer, Diane Hodges Popps, Gabriel Presas
摩托罗拉半导体产品部成品制造技术中心
德克萨斯洲,奥斯汀
摘要
球栅阵列(BGA)元件与板子互连的可靠性在不同的条件下通过使用控制的恒定升温率和停滞时间进行热循环，而体现出传统的特性，其取决于最终的应用[1、2]。在热循环的任何一点，母板、元件和焊点基本上都处于大致相同的温度下。在实际的电子设备中，各元件温度的分布都是由所有元件和该元件的局部热扩散，使加热的内部气体传送到设备而形成的。局部加热位置是较重要的，特别是大功率装置，局部加热可使封装内和封装与板子之间形成大的热梯度。虽然，比起用于封装芯片的功率的热循环和功率循环是不可缺少的，而且更难控制，这是一种较好的模拟实际设备热梯度的方法[2.7]。
本文叙述了在室温和125℃之间在119个针脚的倒装芯片（FC）PBGA 试验媒体上实施的板级的功率循环与热循环的比较。对焊点进行了连续监控，直到故障率＞50％为止。对于每个具有闭环控制装置的通用设备，在测试中要降低样品的可变性，对此进行了详细叙述。对故障方式和统计也进行了阐述。
背景
在多数应用中，特别是在大功率耗散的IC应用中（如像，微处理器、快闪SRAM、DSP、声像芯片等），贴装的BGA封装的温度梯度通常就是这种情况：
温度芯片 ＞温度封装 ＞温度板子
和 温度内焊点 ＞温度外焊点
图1给出了贴装在板子上的FC BGA热有限元（FEA）模型，注意，这个例子中的焊点是通过具有等效导热性的连续层得出的近似值。
对于多数BGA而言，其封装的热膨胀系数（CTE）小于母板的热膨胀系数，可将准静态的和等温热循环用于板级可靠性与功率循环比较的评估中。
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图1：FEA结果说明贴装到板子上的载有负荷的FC BGA温度梯度
这是因为△T×CTE的乘积，因此，在功率循环过程中，封装和板子的相对膨胀可能趋于接近。由于对热循环的要求更为严格，这种现象以往用FEA进行过量化，其中23－85℃下的功率循环与热循环加速系数比较，通过计算得出225个线焊的PBGA的值为5X [8]。与功率循环比较，用于等温循环的测试媒体的设计要简单得多，测试本身也是较容易的。
CTE低于通用母板的封装的例子有CBGA，其基底硬度和6.7ppm/℃的 CTE在封装中占有优势, 而多数FC和线焊的PBGA的2.6ppm/℃ CTE会带来严重的影响，而且可能降低复合封装的CTE。
测试媒介物的说明
119FC PBGA封装主要用于快闪SRAM中，其趋向于使用矩形芯片。没有安装集成的散热器和盖子，但是在实际的设备中，其外部可能安装有散热片，此散热片通过微处理器可将几个间距致密的组件连接起来。图2所示是119FC PBGA测试媒体，其尺寸为14×22mm，厚度为1.0mm, 4层HDI基板，用于循环过程中监控多数焊料球。7×17阵列的BGA，其间距为1.27mm，在基板上使用非焊料掩膜屏蔽的焊盘（NSMD）。图3中的封装和测试板简图说明在监控下的焊料球被作为BGA菊链的一部分。在图3中还观察到阵列中心的不同焊料球，大多数焊料球与芯片的热功能有关，下面对此进行论述。
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图2：本研究中使用的119FC PBGA，
注意在背景中可看到植球的晶圆
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用大约7×12×0.75mm 厚的热芯片组装测试媒体FC PBGA基板，其二排加热器电路覆盖总芯片面积的50％以上，以便实现均匀的配电。图4所示是芯片布局。芯片包括电阻温度装置（RTD），用于测量芯片连接温度（Tj）。RTD基本上是以长条螺旋形沉积金属，在接近温度的线性函数时其可使电阻发生变化。读出的RTD温度结果是覆盖其总面积的平均值。
每个加热器的边缘和端接于两个焊料凸点的RTD以及各焊料凸点都有独特分布的BGA。使用双端子的目的是为了分开电源和净感应，以便达到最高的精确。
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图4： 加热芯片的布局，包括焊料凸点的位置、加热器和RTD电阻
对FC PBGA封装进行局部选择，因为该工业已从线焊技术和陶瓷BGA逐渐转移。与CBGA比较，塑料基板基FC BGA为提高的板级可靠性、降低重量和成本提供了潜力，与CBGA比较，在体尺寸和阵列方面，通常PBGA使得板级的可靠性得到实质性的提高，基本上与CBGA类似相同。为了提高板级可靠性，PBGA基板需克服硅的较低的CTE对复合CTE的影响，以及对封装的影响，从而使板级可靠性受到影响。通过采用比通用线焊PBGA基板厚2－3倍的基板，大约1.0mm就可以实现这个目的。
与线焊PBGA基板比较, 当将互连从芯片的四周移到阵列图形时，FC PBGA具有缩小硅尺寸的能力。与模压线焊的封装比较，FC封装裸露的硅还能够实现良好的热耗散和散热的目的。
图5所示是将功率循环／热循环结合的测试板，这是一块1.57mm厚FR-402环氧树脂/玻璃板, CTE大约为16-18ppm/℃。这个板总共有4层，包括2层内虚平面。
测试板焊盘是非焊料掩膜屏蔽（NSMD）的焊盘，在0.58mm直径的铜焊盘上涂覆了有机可焊性保护（OSP）的表面涂饰材料。在印脚内设有哑导通孔，其可以更好的模拟实际应用。每块板子都有4个封装和2组镀金边指形针脚，即沿着每个短边的一组。一组边缘针脚是用于在功率循环和热循环过程中监控焊点的连续性，另一组仅用于在功率循环过程中监控测试芯片的温度。
循环说明
对于功率和热这两种循环而言，使用高速事件探测器，在菊花链网上连续监控现场的焊点整体性。当0.20μｍ焊点的电阻超过300Ω时可观察到有开路现象。按照IPC－SM－785标准，当产生了一个事件后，在第一次事件循环数字的10％以内接着又出现9个事件时，就记录为一个故障。
在组装了板子的前后，测量每个封装的芯片加热电阻器和RTD。在组装后，测量电阻，同时，将元件置于加热箱中，温度控制在0.25、50、75和100℃。在组装后，绘制出RTD电阻（RRTD）与温度（T）、倾斜度（m）和截断（b）的关系曲线，以便计算出每个装置的匹配最佳的曲线（T＝m* RRTD＋
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图5：安装有4个119 FC PBGA封装的功率循环／热循环板子
（上图）和有BGA焊盘的板子（下图）
在开始循环之前，输入到各个封装的独特功率由该设备确定，使得每个封装都能达到125℃的稳态目标。将功率循环设置在总长度的30分钟，范围从～25℃的室温到125℃的温度。功率循环是严格按照将电源停留在“on”的位置15分钟的要求，然后，在“off”的位置停留15分钟。此外，将热电偶安装在选择的FC PBGA封装的反面，用来监控温度。图6所示是功率循环和焊点监控系统
。
在组装板子之前，平均RTD电阻为1129Ω（范围是1084－1195Ω）。在组装板子之后，平均电阻略有下降，为1118Ω（范围是1076－1169Ω）。在组装板子之前，平均加热器电阻为77Ω（范围是74－81Ω）。在组装板子之后，加热器电阻有所改变，小于0.6Ω。
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数据记录器用来监控RTD和功率电阻。每个封装的RTD电阻安装在最佳装配线上，以便计算焊接温度。16.4V电压和6.5A电流使得封装的焊接温度快速上升，平稳状态大约为125℃，是较理想的。这是经过功率循环的32个封装的每个封装的平均电流达到0.2A。
热循环是在单独仓室中进行的，尽可能地绘制一条与功率循环曲线匹配的曲线。从25℃上升到125℃需要10分钟（10℃／分钟），接着在125℃下停滞5分钟，在5分钟内又从125℃下降到25℃（20℃／分钟），再停滞10分钟的时间。上述的升温速率和降温速率在仓室中是完全可以达到的，尽可能逼真地模拟功率循环系统的温度曲线。
图7所示说明了热循环曲线和功率循环曲线。将4个温度绘制成曲线图。“热曲线”指的是由安装的热电偶测量的热循环中芯片的最高温度。“仓室温度”是指热循环仓室内的温度。“功率曲线”和“功率热电偶”是指在功率循环过程中，芯片RTD和顶部的芯片热电偶分别测量的温度。二种类型的循环最直接的比较，就是比较“热曲线”和“功率曲线”。
测试程序
提供出书面的通用程序，以便控制仪表、监控温度和收集数据。软件的第一部分启用了数据记录仪和电源。对于数据记录仪，可为测量电阻或温度配置测试通道。供给的电源是限压和限流的，包括过电流和过电压保护。
程序和第二部分是监控软件第一部分配置的所有PCB板上的测试器件的电阻值。每5秒钟收集一次这个点的数据，而后，每15分钟下载一次。用户在任何时候都可以选择下载数据点。当通电后，程序收集电阻值，并根据初期线段拟合数据计算理论温度。理论温度是易于实时观察的。
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图7：功率循环和热循环的30分钟曲线
焊点可靠性结果
在图8的Weilbull图中的二个参数中给出了加速热循环和功率循环的故障数据。图表中给出了特性寿命（Eta或η），Weilbull斜率（贝它或β），相关系数（rˆ2）和在测试中启用/试验（n/s）成功的样品的数量。与以往模型结果的趋向一致，与热循环比较，功率循环的特性寿命要高出45％。TC中的第一个焊点故障是在7303次循环中出现的，而在功率循环过程中出现的第一个故障却是在8778次循环中。从图表中可以看出，前二个功率循环故障实际上是脱层，该数据可能更适合于第三个Weilbull参数。
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循环后染色渗透分析表明，热循环组件的焊点在封装的中心出现故障，并从芯片下面向外延伸。在整体焊接中，裂缝一般出现在封装面的焊点。一般来说，都是未加盖的FC PBGA封装才有这种情况，由于在从热向冷过渡的过程中，封装的相对不均衡的弯曲而造成的。然而，功率循环组件一般是沿着芯片边缘的较长的一侧产生，这种封装显然是线焊的PBGA封装，其剪应变在抗弯曲方面具有良好的效果。图9所示是这二个故障位置的比较。
在测试结束后，对热循环和功率循环的样品进行横剖面。可观察到所有裂缝都出现在整体焊接中，多数裂缝都是在封装面焊点的旁边。图10是这二种循环的故障的SEM显微图片。
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图10：功率循环（上图）和热循环（下图）后故障的
焊点横截面的SEM 显微图片
梗概与结论
根据当前的研究而得出下列结论：
·模拟FC PBGA在室温至125℃接合温度下的循环而开发出功率循环系统。通过将实际应用与热循环比较，功率循环能更好的模拟多数温度梯度。
·在比较功率循环故障与热循环故障中，在功率循环中，FC PBGA焊点的特性寿命大于45％。在温度循环过程中，在7303次的循环中记录下第一个BGA故障，而在温度循环过程中则在8778次的循环才能记录下第一个故障。
· 在温度循环过程中，由于封装弯曲，一开始在封装中心产生了焊点故障。功率循环焊点故障是沿着芯片边缘产生的，类似于线焊PBGA温度循环故障模式。
·二种类型循环的故障模式是通过整体焊接的裂缝，主要是在封装焊盘的周围。
致谢
作者在此向Bennett Joiner, Belinda Gonzalez 和 Paul Galles对本工作的协助表示感谢，同时向Montes de Oca对图1中提供的模型和图片表示感谢。
MOTOROLA（摩托罗拉），风格化的M Logo和本文中采用的其它所有商标，均是摩托罗拉美国总公司和商标办公室的商标。所有其它产品名称或者服务名称都是各自所有人的财产。
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2005-7-2
