1 引言

球柵陣列 (Ball Grid Array，BGA) 是一種表面貼裝的封裝形式，憑借其外形尺寸小、引出密度高、電感寄生小、工藝成熟度高、散熱性能好等優(yōu)勢(shì)，成為近年來(lái)集成電路的主要封裝方式之一。在車用集成電路領(lǐng)域，BGA 封裝得到了廣泛應(yīng)用。汽車所處環(huán)境特殊，溫度變化范圍大、電磁環(huán)境復(fù)雜、振動(dòng)頻繁，且對(duì)零失效有著近乎苛刻的要求，這些特點(diǎn)對(duì) BGA 封裝的可靠性提出了極高標(biāo)準(zhǔn)。位于 BGA 封裝體下方的焊球 (Solder Balls 或 Solder Bumps) 至關(guān)重要，它為芯片提供電性連接、熱量傳導(dǎo)和機(jī)械支撐，也是封裝體失效的主要因素之一。

研究表明，焊球中適當(dāng)增加鉛的含量可改善 BGA 植球工藝中合金層的微結(jié)構(gòu)，大幅提高焊球的剪切強(qiáng)度 (Shear Strength)。然而，自 1993 年美國(guó)和歐盟提出降低鉛暴露水平倡議后，無(wú)鉛焊料逐漸取代傳統(tǒng)鉛錫 (Sn - Pb) 焊料，其中錫銀銅 (Sn - Ag - Cu，簡(jiǎn)稱“SAC”)焊球是目前使用最為廣泛的無(wú)鉛焊料。

無(wú)鉛焊料在滿足環(huán)保要求的同時(shí)，需具備與傳統(tǒng)焊料相似的機(jī)械強(qiáng)度、延展性、熔點(diǎn)、電阻和壽命等性能，這對(duì)其制作的焊球提出了很高要求。特別是在車用集成電路領(lǐng)域，SAC 焊球也未必能完全滿足汽車的可靠性需求。為確保焊球具備足夠機(jī)械強(qiáng)度，車用集成電路在批量應(yīng)用前需進(jìn)行大量試驗(yàn)，包括應(yīng)力測(cè)試、撓曲試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、焊球剪切 (SBS)、焊球冷拔 (CBP)、焊球熱拔 (HBP)、環(huán)氧樹(shù)脂封裝拔球 (EEBP) 等。其中，焊球剪切測(cè)試是上車前鑒定試驗(yàn)中評(píng)估 BGA 封裝鍵合強(qiáng)度最常用的可靠性試驗(yàn)方法。BGA 封裝的車用集成電路能否通過(guò)鑒定試驗(yàn)中的焊球剪切測(cè)試，一方面取決于焊球本身質(zhì)量，另一方面也受試驗(yàn)過(guò)程準(zhǔn)確性的影響。

2 焊球失效模式

根據(jù)制造焊球所用合金材料的種類和比例不同，常見(jiàn)的無(wú)鉛焊球可分為 SAC305、SAC302、LF35、SACQ、QSAC 等。不同材料的焊球特性各異，差別主要體現(xiàn)在熔點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、延展率、硬度、熱膨脹系數(shù)、比熱、潤(rùn)濕性、熱疲勞、屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度等方面。以車用集成電路 BGA 封裝中較常使用的 SAC305 為例，它是一種錫 (Sn) 含量為 96.5%、銀 (Ag) 含量為 3%、銅 (Cu)含量為 0.5%、熔點(diǎn)為 217 ℃、電阻率 0.132μΩ·m、熱導(dǎo)率 58W/m·K、熱膨脹系數(shù) 21 e - 6/℃、抗拉強(qiáng)度 50 MPa 的焊球。SAC305 的特點(diǎn)是硬度和抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，但延展率較高，這使其在高溫、強(qiáng)振動(dòng)條件下具有較好的可靠性，更適合汽車應(yīng)用場(chǎng)景。

一個(gè)完整的無(wú)鉛焊球連接（以 SAC305 為例）可分為 4 部分（見(jiàn)圖 1，圖 1 展示了無(wú)鉛焊球連接各部分結(jié)構(gòu)關(guān)系，焊球位于最上方，與下方的合金層、表面處理層和銅焊盤(pán)依次連接，清晰呈現(xiàn)各層的相對(duì)位置和接觸情況），即焊球、合金層 (IMC)、表面處理層和銅焊盤(pán)。

圖1 焊球橫截面結(jié)構(gòu)圖

焊球是用于連接芯片和基板或者基板和印制電路板的金屬球，為兼容現(xiàn)有的熱植球工藝，其主要成分是錫。IMC 是在回流焊過(guò)程中，金屬間相互擴(kuò)散形成的化合物，SAC305 的 IMC 主要由 Cu6Sn5 及少量的 Cu3Sn 構(gòu)成，厚度在幾個(gè)微米。雖 IMC 厚度和剪切強(qiáng)度并無(wú)必然聯(lián)系，且剪切強(qiáng)度在高溫貯存時(shí)也未顯著下降，但通常認(rèn)為 IMC 會(huì)使焊球延展性變?nèi)?、脆性增?qiáng)，從而更易斷裂。銅焊盤(pán)用于將芯片或者基板上的金屬轉(zhuǎn)接成可承載焊球的結(jié)構(gòu)，在植球前，銅焊盤(pán)通常會(huì)制作一層表面處理層(surface finish/surface treatment)。表面處理層是為防止芯片或基板上的觸點(diǎn)在加工完成到植球期間發(fā)生氧化，通過(guò)電鍍、化學(xué)鍍等方式在觸點(diǎn)表面形成的保護(hù)層。制作保護(hù)層時(shí)，通常先在銅焊盤(pán)表面電鍍一層厚的鎳 (Ni)，再電鍍或化學(xué)鍍一層薄的金 (Au)，也有在 Au 下面先電鍍鈀 (Pd) 以起到防氧化作用，鎳主要用于阻擋錫球中的 Sn 元素與銅焊盤(pán)中的 Cu 元素相互擴(kuò)散形成 IMC。

在剪切測(cè)試過(guò)程中，焊球的失效有焊球損壞、IMC 斷裂、焊盤(pán)脫落等多種形式。在汽車芯片鑒定試驗(yàn)最常使用的“焊球剪切測(cè)試”(AEC - Q100 - 010A) 標(biāo)準(zhǔn)中，定義了 5 種失效模式：

(1) 焊球主體斷裂，剩余部分仍在焊盤(pán)上，體現(xiàn)了焊球的延展性，正常情況下約 80%的失效為此種情況。現(xiàn)象是焊球沿著水平移動(dòng)的剪切臂刀頭位置斷開(kāi)，橫截面呈現(xiàn)高低不平的臺(tái)階；

(2) 斷裂面發(fā)生在焊球和焊盤(pán)間的 IMC 層，約 2%的失效是這種情況，這是焊球材料設(shè)計(jì)者極力避免的，因 IMC 層斷裂可能影響整體性能；

(3) 銅焊盤(pán)與電鍍 (或化學(xué)鍍) 層發(fā)生分離，這種失效發(fā)生在圖 1 中的“界面二”位置，主要受電鍍或化學(xué)鍍工藝水平影響；

(4) 襯底和焊盤(pán)發(fā)生脫離，這種失效發(fā)生在圖 1 中“界面三”位置，部分原因是焊盤(pán)污染；

(5) 球體脫落但電鍍層仍然留在焊盤(pán)上，潤(rùn)濕性不足，這種失效發(fā)生在圖 1 中“界面一”位置，斷裂面較為平坦，失效情況占比約為 15%。

在汽車芯片的鑒定實(shí)驗(yàn)中，第 1 種和第 4 種失效模式是可接受的，表明焊球連接形成了一個(gè)整體；第 2 種失效模式只有在由 IMC 引起的斷裂面積不超過(guò)截面積的 5%時(shí)才可接受；第 3 種和第 5 種失效模式則不可接受。

3 影響 Cpk 統(tǒng)計(jì)結(jié)果的關(guān)鍵因素

（1）焊球的一致性

植球過(guò)程中焊球大小易出現(xiàn)不一致。由于車用芯片用量相對(duì)小，可挑選一致性好的芯片用于檢測(cè)和應(yīng)用，通過(guò)共面性測(cè)試確認(rèn)焊球直徑和高度的一致性，以此保障剪切測(cè)試等過(guò)程中性能穩(wěn)定，減少因個(gè)體差異導(dǎo)致的測(cè)試結(jié)果波動(dòng)。

（2）剪切速率與結(jié)果一致性

剪切測(cè)試在兩個(gè)周期的回流焊后進(jìn)行，焊球和襯底熱膨脹系數(shù)不一致會(huì)在連接處產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致剪切強(qiáng)度下降。研究發(fā)現(xiàn)，剪切速率與剪切強(qiáng)度及結(jié)果一致性相關(guān)，速率越大剪切強(qiáng)度越大，但速率慢時(shí)結(jié)果一致性更好，因此需綜合考慮二者平衡，以準(zhǔn)確評(píng)估焊球可靠性。

（3）剪切位置的精確控制

剪切臂的刀頭需在球高度的 1/3 位置，保證與焊球垂直相切。因焊球非完整球體，若刀頭高于其最寬處，無(wú)法保證相切，需降低刀頭，否則實(shí)際剪切力分量改變，不同樣品觸點(diǎn)差異會(huì)使測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)大。試驗(yàn)表明，剪切高度越低，剪切強(qiáng)度越大且結(jié)果一致性越好，所以精確控制剪切位置對(duì)可靠結(jié)果至關(guān)重要。

（4）焊球完整性保障

剪切時(shí)需去除周圍焊球，此過(guò)程可能碰到目標(biāo)焊球，所以要目檢確認(rèn)其完整。若焊球在剪切準(zhǔn)備階段受損，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性，導(dǎo)致對(duì)其實(shí)際可靠性的誤判。

（5）芯片水平性維護(hù)

剪切臂垂直地面，若安裝在測(cè)試機(jī)上的芯片不水平，不同芯片上的焊球受到的剪切力就不同。因此，要保證芯片水平或保持同一斜率且位置固定、一號(hào)腳位置固定，確保角度固定，使每個(gè)焊球在剪切測(cè)試中受力相對(duì)一致，提高結(jié)果可靠性。

（6）操作環(huán)節(jié)的精細(xì)把控

實(shí)際操作中，提前檢查剪切臂磨損情況、其中心與球體中心是否對(duì)齊、刀頭寬度是否合適等，能減小測(cè)試環(huán)節(jié)引入的誤差，這些細(xì)節(jié)對(duì)保證剪切測(cè)試的準(zhǔn)確性和一致性意義重大。

車用集成電路鑒定試驗(yàn)中焊球剪切測(cè)試結(jié)果受焊球本身可靠性和測(cè)試過(guò)程一致性影響。既要改善焊球材料和工藝提升質(zhì)量，又要保證產(chǎn)品各方面一致性，確保 BGA 封裝車規(guī)芯片可靠應(yīng)用。同時(shí)，溫循對(duì)測(cè)試結(jié)果影響顯著，老煉前后焊球冷拔變化小，而焊球剪切和熱拔變化大，溫循前后剪切結(jié)果分別更接近冷拔和熱拔結(jié)果，試驗(yàn)選擇時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注。

（未完，接下篇）

審核編輯 黃宇