刘丙金

（西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065） 

摘 要：针对陶瓷球栅阵列封装的焊点连接问题，提出一种相对比较完善的改进措施，并进行了理论分析、仿真和试验验证，为陶瓷球栅阵列封装的合理选型提出了建议。

关键词： CBGA  焊球  陶瓷  可靠性

随着IC封装技术向高密度、高性能、低成本的方向发展,BGA封装形式已经成为当前电子行业的主流技术。而陶瓷球栅阵列（CBGA）由于其具有优异的热性能和电性能,同时具有良好的气密性和存储寿命，是一种高可靠高性能的封装，这使其在航空、航天、兵器、船舶等领域的电子设备制造上占有非常重要的地位。目前，包括计算机在内的很多电子产品中的核心部件都大量采用了CBGA的封装技术。

CBGA封装具有高可靠高性能的特点，但在实际组装应用时，由于陶瓷基板和环氧树脂型层压板的热膨胀系数严重不匹配，容易引入的焊点连接的失效风险。

1  CBGA封装介绍

CBGA的端子设计与球栅阵列BGA类似，但通常采用不会完全融化和塌陷的高铅焊球，焊球成份通常是Pb90Sn10，熔点为302℃。随着材料技术的发展及适应无铅化的要求，已经有其他无铅合金焊料球可以替代含铅量较高的焊球。CBGA封装如图1所示。

图1  CBGA封装示意图

2  CBGA组装工艺特点

与一般的BGA封装类型器件类似，CBGA通常采用贴片后回流焊接的方式安装到PCB板上，但由于封装自身特点及可靠性的要求，CBGA组装的工艺特点有：

1）CBGA组装时的PCB焊盘尺寸应该使高铅焊球有足够的可用平台以实现CBGA的焊球的焊接，这要求PCB焊盘尺寸稍大才可以满足最该要求，在设计焊盘时，可以参考IPC-7351《表面贴装设计与焊盘图形标准通用要求》^[1]进行设计，针对高铅焊球，一般要求PCB焊盘尺寸比焊球直径大5%-15%。

2）因为高铅焊球不会塌陷，在网板设计时，保证有充足的焊膏是很重要的。CBGA需要有一个最低焊膏量以保证焊点可靠性，最低焊膏量具体见表1。因此使用高铅焊球的CBGA，可以使用阶梯式网板，网板的开孔也可以焊盘大一些以满足非塌陷焊球所需的焊膏量。

3）在焊接温度方面，CBGA焊接使用的焊料为锡铅焊料合金，通常为Sn63Pb37焊料，因此焊点的焊接温度也要遵循Sn63Pb37焊料的焊接温度要求，IPC-7095C《BGA设计及组装工艺实施》^[2]中对Sn63Pb37焊料的回流焊接温度曲线示意图见图2。由于CBGA的陶瓷封装本体具有高热容量，使得在开发再流焊温度曲线时的难度更大，因此，在含有CBGA件的产品焊接前进行温度曲线测试是非常有必要的。

图2  Sn63Pb37焊料的回流焊接温度曲线示意图

3  某型CBGA失效分析

3.1  背景介绍

某CBGA芯片在PCBA产品上工作使用几年时间后，频繁出现故障，经过排查，怀疑是CBGA焊点连接出现异常所致，由于焊点不能直接目视或通过放大镜观察，当前现有的X光设备也不易发现微裂纹，因此为了寻找确切的故障原因，采用金相切片的手段对故障的CBGA周边及中部焊点进行了分析，切片分析整体结果见图3，典型的贯穿性开裂焊点见图4。

图3  CBGA切片分析结果

图4  CBGA典型的贯穿性开裂焊点

3.2  失效原因分析

根据以上切片分析结果推断：

1）查询该CBGA器件手册，原封装为高铅焊球，但通过故障芯片焊点的观察及金相切片图像来看，焊球并非是锡铅共晶材料，因此推断该CBGA在焊接之前对原有的高铅焊球进行了置换；

2）开裂点主要是分布在芯片的边周和角部多个焊球，而中心区域未出现裂纹，符合约靠近边角焊点约容易失效的特征；

3）对失效CBGA中部位置的焊点以及PCBA上未表现出故障的PBGA焊点进行分析得到：焊球形状良好，焊料内部锡铅扩散均匀，材料组织未出现粗化现象，界面部位形成较为均匀一致的合金层。因此推断焊点在形成阶段是良好的；

4）从裂纹出现的位置和焊点组织形貌上分析，出现裂纹的位置都伴都伴随有组织粗化现象，推断焊点受到长期应力作用，而在板上PBGA的焊点未观察到焊点组织粗化现象，因此推断应力来源于陶瓷器件和PCB之间的热膨胀系数差异过大导致的热失配应力。

3.3  分析结果

从以上分析和推断，可以判定焊点存在贯穿性裂纹是导致PCBA产品功能失效的直接原因，而焊点开裂主要与陶瓷器件和PCB之间的热膨胀系数差异过大而导致的热失配应力有关，同时对CBGA原封装的高铅焊球进行了重新置换导致了焊点高度降低，从而加剧了裂纹的产生和延伸。

4  改进措施及验证

4.1  改进措施

根据分析结果，有针对性地制定改进措施：

1）将CBGA芯片更换成具有更高热膨胀系数的HiTCE基板材料。由于故障原因主要与陶瓷器件和PCB之间的热膨胀系数差异过大有关。经查相关资料，不同陶瓷材料及PCB的CTE特性见表2。IPC-7095C《BGA设计及组装工艺实施》中介绍“陶瓷材料的CTE系数约为6ppm/℃，而PCB材料的CTE系数约为16~20 ppm/℃，因此陶瓷材料与PCB材料的CTE失配约为10~14 ppm/℃”。实际查阅，发生故障的CBGA芯片陶瓷基体材料为Al2O3,CTE系数为6.8 ppm/℃，而厂家能够提供的另一种HiTCE（高热膨胀系数）基体材料的CTE系数为12.3 ppm/℃，与PCB的CTE系数更为接近，可以显著降低热失配应力。

表2 不同陶瓷材料及PCB的CTE特性表

在产品进行环境试验以及使用过程中，处于同一温度变化条件下的陶瓷基体与PCB相比，PCB在水平方向上的热膨胀量较陶瓷的热膨胀量要得多，不一致的膨胀量使得他们之间连接的焊点受到剪切应力作用，这种应力的反复作用导致焊点组织出现了粗化的现象，而组织的粗化会降低焊点的机械强度，最终在剪切应力的作用下形成裂纹。在其它条件（温度、尺寸等）相同的情况下，CTE失配越大，BGA焊点所受到的热应力也越大，将芯片更换成高CTE基体材料可以有效降低CTE失配，从而减小焊点所承受的应力，进而会提高焊点连接的可靠性。

2）使用CBGA封装自带的高铅焊球进行焊接，对印制板焊盘及钢网进行适应性调整，增加CBGA焊接后的焊点高度。

按照IPC-7095C《BGA设计及组装工艺实施》中的描述，在其它条件相同的情况下，三种焊点高度（0.41mm、0.76mm、2.29mm）所对应的CBGA焊点疲劳寿命之比为1:4:45。因此采用CBGA封装自带的高铅焊球进行焊接，可以提高焊点高度，进而提高焊点的疲劳寿命。

4.2  寿命仿真验证

使用ANSYS软件建立仿真模型，焊球分别选用Sn63Pb37焊球和Pb90Sn10焊球，陶瓷基板分别选用Al₂O₃陶瓷和HiTCE陶瓷。对比分析其选用不同材料焊球和基板情况下的热应力情况，模型建立情况见图5。

图5  Sn63Pb37焊球模型（左）和Pb90Sn10焊球模型（右）

分别对不同的焊球材料和陶瓷基板的组合模型进行疲劳寿命进行仿真，仿真结果如表3所示，从仿真结果可以得出，使用Pb90Sn10焊球和HiTCE陶瓷的焊点疲劳寿命最为理想。

表3  不同模型的疲劳寿命仿真结果

4.3  试验验证

按照表3中的四种组合设计加工试验件，然后进行温度循环试验，在经历一定次数的温度循环试验考核后进行金相切片对比，试验同样表明，采用Pb90Sn10焊球和HiTCE陶瓷的试验件，焊点连接的可靠性最高，图6为采用Pb90Sn10焊球和HiTCE陶瓷的试验件在进行温度循环试验后的金相切片结果示例。

图6  改进后试验件金相切片结果示例

5  结论

综上所述，针对CBGA芯片焊点连接故障，通过更换成高CTE基体材料并使用自身的高铅焊球直接焊接可以有效改善焊点所承受的热失配应力，同时也提醒设计师在选用CBGA芯片时要了解各种型号的适用场合，以便根据产品的应用环境条件做出正确的选型。

参考文献：

[1]  IPC-7351 Generic Requirements for Surface Mount Design and

Land Pattern Standard. Developed by the Surface Mount Land Patterns Subcommittee (1-13) of the Printed Board Design Committee (1-10) of IPC,2005年2月.

[2]  IPC-7095C Design and Assembly Process Implementation for BGAs. Developed by the IPC Ball Grid Array Task Group (5-21f) of the

Assembly & Joining Processes Committee (5-20) of IPC,2013年1月.

作者简介：

刘丙金，（1987年1月出生）男，山东省泰安市，汉族，本科，工程师，主要从事电子装联工艺技术研究及管理工

作。