文章来源：表面贴装与微组装工艺技术

李阳阳，董 东，王  辉，卢  茜，张继帆，谭继勇

（中国电子科技集团第二十九研究所，四川 成都 610036）

摘 要：为满足高密度宽带射频封装的要求，微系统产品中广泛采用LTCC基板的BGA封装结构进行平板阵列化集成。基于失效物理的分析方法，分析得出温度循环条件下典型失效模式和适用机理，从材料、结构、工艺等方面展开讨论，并通过故障树分析得出影响BGA互连的可优化因素最小割集，最后采用田口方法进行正交试验设计，对影响BGA板级互连的可优化因素进行优先级排秩，为后续的仿真优化及可靠性提升指引方向。

关键词：BGA；LTCC；失效模式；故障树分析；田口方法

为满足装备小型化、轻量化、阵列化及多功能一体化的需求，微波组件和模块中采用了大量的分布式射频单元，使功能大幅提升，使体积和质量显著减小。所采用的射频单元集成密度和气密性要求高，主要通过系统级封装（SiP）的高密度集成手段予以实现，最终采用阵列化的平板集成手段形成综合功能模块。

本文中的射频单元与系统母板之间的射频信号传输要求传输损耗低、信号屏蔽高、平面贴装面积小。为满足互联密度高、集成面积小、高频传输性能优越等需求，射频单元的系统级封装接口采用球栅阵列（BGA）封装形式，同时为满足多层灵活布线、气密封装、低传输损耗等需求，采用低温共烧陶瓷（LTCC）基板作为封装基板[1-2]。通过基板内部垂直互连和芯片的堆叠集成，再梯度焊接金属围框及盖板完成气密封装，板级集成如图1所示。

陶瓷基板封装与有机母板等进行互联集成时，材料热失配导致的BGA板级互连失效故障成为影响寿命的主要因素。业内对此问题开展了广泛研究，归纳梳理了各种不同应用和考核条件下的BGA互连失效模式[3-6]。本文通过基于失效物理的分析方法，确定LTCC基射频单元封装BGA板级互连在温度循环条件下的BGA失效模式及机理，采用失效影响因素综合分析和故障树方法，重点从材料、结构、工艺三方面确定可能影响板级BGA互连失效的最小割集，再结合田口试验最终得出特定失效模式下的各影响要素排秩，为后续的可靠性优化指引方向。

1 BGA互连失效模式及机理

1.1 失效模式确定

行业内关于BGA焊点在不同载荷下出现的失效模式及影响因素分析的研究已比较成熟，多集中在芯片级、器件级和部分轻量化的SiP封装级。单个焊球互连截面如图2所示。

可以看出BGA互连主要的失效模式包括：PCB板基体过应力开裂（Mode A1）；PCB板上焊盘脱落（Mode A2）；PCB侧焊盘与焊球之间的金属间化合物（IMC）层裂纹扩展（Mode A3）；裂纹发生在接近PCB侧，横跨焊球和IMC（Mode A4）；BGA焊球开裂（Mode C）；封装基板基体过应力开裂（Mode B1）；封装基板上焊盘脱落（Mode B2）；封装基板侧焊盘与焊球之间的IMC层裂纹扩展（Mode B3）；裂纹发生在接近封装基板侧，横跨焊球和IMC（Mode B4）。

而基于LTCC的SiP射频单元板级BGA互连失效模式，往往是以上9种失效模式中的一种或者多种情况的组合。文中对进行温度循环试验的LTCC封装板级集成样件，通过测试直流通断判断BGA互连是否失效。主要通过红药水渗透试验、扫描电镜观测、光镜观测等分析手段进一步确定失效模式。

1）红药水渗透试验

对经历温度循环试验后射频单元未脱落的样件，通过标准的红药水试验流程进行染色和机械分离后发现，BGA焊点几乎全部留在PCB板一侧，LTCC基板与互连焊点全部脱离。观察焊点剥离面的染色情况（如图3所示），记录染色位置和染色面积，采用不同颜色标识对失效模式进行记录分析，绘制失效分布图（如图4所示），图中蓝色区域表示LTCC侧焊盘底部陶瓷基体处受损开裂（对应于图2中的失效模式Mode B1），绿色区域表示BGA互连焊点与焊盘在IMC界面处开裂（对应失效模式Mode B3）。

对试验样件中LTCC基板进行切割，采用光学显微镜观察，重点关注焊盘脱落区域底部陶瓷体的染色情况，试验发现底部的陶瓷体已经充分染色，如图5所示，表明LTCC基体在焊盘区域由于局部应力已经发生脆性开裂。

2）扫描电镜（SEM）观察对于部分采用高铅合金焊球（Sn10/Pb90）进行互连的板级集成样件，为进一步观察详细的失效信息，选取温度循环后的试验样件进行剖切，截面位置如图6所示的截面1和截面2，采用SEM对样件进行剖面分析，观察微小焊点局部区域可能出现的各种失效，通过拍摄切面图，可以发现的失效模式包括：BGA焊球与焊盘之间裂纹萌生及开裂；LTCC基体受损脆性开裂，对应失效模式Mode B1和Mode B3。

根据上述分析，LTCC基射频单元BGA板级互连后在温度循环条件下主要发生“BGA焊球与焊盘之间的裂纹萌生扩展”、“焊盘下方LTCC基体受损开裂”两种失效模式，本文对其开展了深层次的机理分析。

1.2 失效机理分析

1）BGA焊球与焊盘之间的裂纹萌生与扩展焊球与焊盘之间的裂纹萌生与扩展可以采用温度循环热疲劳损伤模型进行阐述：变化的温度应力使互连焊点处承受温度循环应力，该应力是一种峰值应力小于产品结构强度的应力，不能在短时间内对产品关键互连区域造成直接的破坏，但长时间的循环应力作用后，互连材料会因为塑性应变累积下的热疲劳损伤而失效，归根结底是由于互连焊接热膨胀系数（CTE）失配产生的热应力导致的，如图7 所示。

射频单元和母板整个电子封装系统中各项材料之间的CTE失配导致焊点易遭受循环剪切应力，焊点中的应力集中分布于焊点末端和近界面的焊料体内，在焊点末端应力最大[7]。LTCC基板及界面金属间化合物（IMC）为线弹性属性，而焊料合金为粘塑性属性，IMC的弹性模量远高于焊料本身（通常IMC的弹性模量80~100 GPa，焊料的弹性模量40~50 GPa），在应力加载过程中IMC的变形也远小于焊料的变形，因此靠近焊料与IMC界面的焊料形变受到IMC层的束缚而产生应力集中，而距离焊料与IMC界面较远的焊料受IMC的拘束程度较低，自由度较大，可以通过旋转、弹性/塑性变形等方式缓冲或消除外加载荷，如图8所示。焊点内不同位置形变的差异导致在焊料与IMC界面附近的焊料中形成高应力应变集中带，在循环剪切应力作用下，微裂纹在焊点末端近IMC边界处萌生并扩展。

2）焊盘下方LTCC基体脆性开裂BGA互连焊点处靠近封装基板一侧的LTCC基体由于受较大的内部应力而发生脆性断裂，为了模拟BGA板级互连样件在经历温度循环时LTCC基体的受力情况，本文建立单个BGA焊点互连模型（SMD结构，考虑阻焊和焊盘）并进行温度循环仿真，如图9和图10所示。

结果表明，在温度循环外部载荷作用下，BGA焊点互连有效区域内的焊盘界面有一半受到斜向上的拉力，另一半受到斜向下的压力。这种拉应力和压应力在水平方向均有分量，形成局部剪切力矩，当所受应力达到陶瓷基体的许用强度时，陶瓷基板在局部焊盘部位发生脆性断裂而失效。分别对比了焊盘直径分别为0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm时的陶瓷基板受力情况，发现随着温度循环次数的推移，LTCC基板所受应力在不断增加，而焊盘尺寸的增加同样带来陶瓷基板主应力的增加，如图11所示。

随着温度循环载荷的持续，热失配效应导致LTCC基体每个温度循环累积的局部内应力也累积增加，直至整个BGA封装互连焊点所受塑性应变能达到平衡时，LTCC基体所受的主应力趋于稳定。而该过程中LTCC基板本身的强度对温度的敏感度并不高，可以用图12所示的应力/强度干涉模型来解释LTCC基体的脆性断裂失效。

2 可优化的影响因素分析

2.1 基于故障树的影响因素分析及可优化要素识别

LTCC基射频单元BGA板级集成产品加工过程自动化程度较高、周围环境稳定、操作人员水平稳定达标，初步经验性分析发现，风险较大的因素集中在结构设计、物料、工艺设计及方法这几个环节，本章结合前文的失效现象与机理，从材料、结构和工艺三方面对影响板级BGA互连失效的原因进行分析，通过故障树分析得出影响BGA互连可靠性的可优化的要素集合。

本文采用故障树分析（Failure Tree Analysis，FTA）方法进行影响因素分析，建立的温度循环条件下LTCC封装板级BGA互连失效故障树如图13所示，图中T 代表顶事件，M 代表中间事件，X 代表底事件，具体见表1。

对故障树中标绿的各底层事件分析发现：X 1－属于质量控制问题，严格控制操作及检验可避免；X 2－化镀镍钯金工艺已经成熟稳定，化镀液腐蚀程度已降至最低；X 3－批次性烧结工艺和烧结强度稳定，符合厂家规范值；X 4－原材料本身固有强度已定，无法改变；X 6、X 7－产品所选的LTCC基板和射频母板本身CTE已定；X 12－为避免对射频性能的影响，产品中不使用底填；X 13、X 14－环境试验条件明确要求；X 15－可通过严格检验筛选，保证翘曲度在规范要求范围内。

以上底层事件虽对BGA互连可靠性有所影响，但在产品中的优化改进空间很小，故在可优化的影响要素里将其排除。用上行法对LTCC封装板级BGA互连失效进行故障树定性分析并求出其最小割集[8]。

图13所示的故障树中，以Mi（i=1，2，···12）表示12个中间事件，以Xj（j=1，2，···16）表示16个底层事件，根据故障树逻辑关系和逻辑门算法分别得到以下布尔表达式：

T=M1+X1+M2

M1=M3+M4

M2=M5+M6

M3=M7+M8+M9+M10

……

M11=X15+X16

M12=M7+M9+M10

本故障树中每一级逻辑门的输入与输出之间均为“或”的关系，顶事件展开后的结果为：

T=X5+X8+X9+X10+X11+X16

由此确定X 5、X 8、X 9、X 10、X 11、X 16分别为影响LTCC封装板级BGA互连失效的可优化要素最小割集。

2.2 基于田口试验的可优化要素优先级排序

统筹以上各最小割集，对X 5－焊球材料选用不当、X 8－封装基板开腔槽减小有效焊接面积、X 9－LTCC封装基板尺寸过大、X10－焊盘尺寸/排布/间距不合理、X 11－BGA焊球结构/尺寸不合理、X 16－回流焊冷却速率过快等因素进行基于仿真数据的正交试验。本文采用Minitab统计分析软件进行田口试验设计及分析[9]，考察了焊球材料形状、封装基板腔槽结构、封装基板尺寸、封装基板厚度、PCB板厚度、焊球尺寸、pad间距和BGA回流焊冷却速率等因子对基板受力及焊球热疲劳的影响，考察因素及水平见表2。

由于LTCC基板的撕裂属于脆性断裂，研究时主要关注局部主应力程度，而BGA焊球与焊盘界面开裂则是周期性载荷下热疲劳失效，研究时主要关注焊点在温偱载荷下的热疲劳。对这两种问题，分别以LTCC基板所受主应力、BGA焊球温度循环热疲劳寿命为目标进行分析，设计相关性试验及考察因素，分析影响各目标的对应因素重要性排秩。

针对LTCC基体的脆性开裂失效模式，采用8因素两水平L12(28 )的仿真试验设计，田口试验设计及结果见表3、表4和图14所示。

根据以上分析结果可知，影响LTCC基板受力的作用因素排序为：焊球材料及形状＞封装基板厚度＞焊球尺寸＞封装基板尺寸＞封装基板开腔槽＞PCB板厚度＞PAD间距＞回流冷却速率。

针对BGA焊球与焊盘之间的裂纹萌生与扩展失效模式，同样采用8因素两水平L12(28 )的仿真试验设计，田口试验设计及结果见表5、表6和图15所示。

根据以上分析结果可知，影响BGA焊点热疲劳寿命的作用因素排序为：焊球材料及形状＞焊球尺寸＞封装基板尺寸＞PAD间距＞PCB板厚度＞回流冷却速率＞封装基板开腔槽＞封装基板厚度。

通过田口试验的分析结果，可以明确在不同失效模式下作用因素的影响程度及排序，并为今后的LTCC封装BGA板级互连可靠性提升与优化工作指引方向。

3 结论

1）通过失效物理的方法确定了温度循环条件下LTCC基板BGA板级互连的主要失效模式及机理主要有两种：BGA焊球与焊盘之间的裂纹萌生与扩展，符合温度循环条件下的热疲劳损伤机理模型；焊盘下方LTCC基体脆性开裂，符合温度循环条件下的应力/强度干涉机理模型。

2）故障树分析结果表明，焊球材料、封装基板结构、封装基板尺寸、焊盘尺寸间距、焊球结构尺寸、回流曲线等因素是本文中LTCC封装BGA板级互连可优化的影响因素最小割集。

3）田口试验结果表明焊球材料及形状、焊球尺寸、封装基板尺寸对互连可靠性的影响权重较高，是后续的可靠性提升及仿真优化的重点。

参考文献

[1] 向伟玮,张继帆,董东,等.BGA在微系统宽带射频互联中的应用[J].电子工艺技术,2016 (2):71-73.

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[3] 武晓静.BGA无铅焊点的失效分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.

[4] 汤巍,景博,黄以锋,等.温度与振动耦合条件下的电路板级焊点失效模式与疲劳寿命分析[J].电子学报,2017(7):1613-1619.

[5] 董东,束平,张刚,等.LTCC基板上焊球失效模式影响因素分析[J]. 电子工艺技术,2018,39(3):133-135.

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[9] 彭爱红. Minitab软件在有重复试验的正交试验设计中的应用[J]. 厦门:集美大学学报,2013,14(1):111-114.