引言
本文研究了极端低温和高温温循对SnPb焊料组装的高阶FPBGA的影响。发现冷偏置温循下的失效循环次数约为热偏置条件下的2倍，且失效均发生于封装侧的焊点，热偏置显示出更高的晶粒增长。NL公式不适用于冷偏置-温循条件，但预测AF约为冷偏置/热偏置CTF的3倍，而测试数据显示AF约为2倍。这些发现有助于缩小新高阶电子封装技术在高可靠性应用中的适用性。
Thomas Sanders
加利福尼亚理工学院
Jet Propulsion Laboratory实验室
工程师
Seth Gordon
加利福尼亚理工学院
Jet Propulsion Laboratory实验室
工程师
Reza Ghaffarian
加利福尼亚理工学院
Jet Propulsion Laboratory实验室
首席工程师
微电子封装技术目前的趋势是持续朝着更小、更轻和更高密度封装的方向发展。通信行业，特别是移动/便携式设备，对更轻、更小的产品有着强劲的需求。当前新兴高阶封装（advanced packaging，简称AP）技术，包括系统级封装（System-in-Package，简称SiP）和2.5D/3D堆叠封装，增加了封装的复杂性挑战。AP涵盖了一系列可封装集成电路（IC）的创新技术，这类技术可增加功能、提高性能并提供附加值。相比之下，传统的封装方法根据目标应用的要求、性能和成本可覆盖不同的I/O密度及I/O间距。与单片芯片封装相比，采用异构集成的AP增加了额外的热挑战。
在单芯片封装技术领域，随着对封装密度的不断提高，球栅阵列（BGA）封装技术在2000年初期得到了显著的发展。随着I/O密度的增加和封装尺寸的减小，引入了新一代精细间距BGA（Fine Pitch BGA，简称FPBGA）封装，如芯片级封装（Chip Scale Packages，简称CSP）。
行业已经开展了多项研究，旨在评估采用BGA和FPBGA技术的印刷电路板组装（PCBA）的可靠性。最近，发布了针对高可靠性应用的BGA和芯片尺寸BGA（Die Size BGA，简称DSBGA）指南，其中考虑了许多NASA任务应用下的环境要求。在商业领域乃至高可靠性应用中，积累了大量热循环（TC）测试数据，这些数据的测试温度范围从-55~125℃，甚至更低温度的温循，这些测试标准由IPC 9701规范所涵盖。
然而，代表外层空间任务应用的极端寒冷和低温条件下的热循环测试结果很少。Tudryn等人进行了针对火星环境的详细热循环评估，包括使用引线键合的晶片连接。最近，Ghaffarian等人对比了SnPb焊料组件的低温热循环，温度范围为-110~20℃。测试结果涵盖了表面贴装技术（SMT）封装，涉及柱栅阵列（Column Grid Array，简称CGA）、手工焊接镀通孔（PTH）陶瓷引脚栅阵列（Pin Grid Array，简称PGA）组件。
在IPC APEX EXPO 2022展会期间，展示了在-40~105℃范围内的热偏置温循下，FPBGA组件中很多FPGA封装在两个温度下的老化结果。在目前的研究中，对SnPb焊点连接的FPBGA组件进行了-105~40℃温度范围内的冷偏置温循。冷偏置温循的温变总量ΔT为145℃，达到高温和低温停留时间后逆转。由于CABGA208在3000次循环后没有出现失效，因此，用威布尔图对比了CTBGA2283000次热/冷偏置温循后的失效循环，并且介绍了采用3D X射线失效分析的光学显微切片。
SnPb FPBGA的实验方法
FPBGA和PCBA
采用了若干FPBGA、LGA和电阻部件进行SnPb温度组装和热循环可靠性评估。菊花链FPGA是：
1. 有208个焊料球的超薄芯片阵列®球栅阵列（CABGA208）
2. 有228个焊料球的薄芯球栅阵列（CTBGA228）
3. 有360个焊料球的超薄芯片阵列（CVBGA360）
节距分别为0.8 mm、0.5 mm和0.4 mm。
测试载体设计旨在可容纳许多菊花链FPBGA和其他元器件，同时具有实验灵活性。每个测试PCB使用FR-4基板材料，以便于数据对比，厚度为0.91英寸。有16个分区域，每个区域都可以很容易地分离出来进行分析，并且包含各自用于探测电气性能的单独焊盘。14个区域专门用于FPBGA和LGA，其余两个区域分配给较小的元器件。
测试矩阵包括不同的焊料球和焊膏合金，但这项工作评估了采用SbPb焊料球和SnPb焊膏回流焊接的部分FPGA。使用具有10个加热区和3个冷却区的对流回流焊炉进行回流焊接。对于SnPb焊膏回流焊接，采用0.75℃/s直接升至206˚C，冷却速率为-1.4℃/s（图1）。为了评估焊点质量，在所有组件进行环境测试之前，通过2D X射线检查了所有组件。
图1：SnPb组装回流焊接：以0.75˚C/s直接升至206˚C和以-1.4˚C/s的冷却速率冷却
用于测试载体组装及测试前评估的基本流程如下：
1. 在PCB上印刷焊膏（共晶SnPb）
2. 贴装元器件
3. 回流焊接
4. 完成菊花链验证和2D X射线检测
5. 选择指定用于热循环暴露的那些元器件
图2显示了右侧涵盖各种封装类型的测试PCBA。左侧是放大图像，显示了CTBGA228区域之一的连接盘、菊花链图形和探测焊盘。
图2：CTBGA228焊盘图形和菊花链（左）以及组件的俯视图（右）
环境测试
在之前的测试中，为评估焊点的可靠性，对8个具有两种不同老化条件的测试载体进行了加速热偏置温循（-40℃和105℃，停留15min）测试。在温循过程中，根据IPC-9701，使用探测器探测到超过500欧姆和200纳秒的电阻峰值，从而捕获焊点失效。对于目前的测试，3个相同的SnPb测试载体经受了冷偏置气相温度冲击测试，有热区和冷区，测试载体在两个区之间来回经受温度的变化，如图3所示。
图3：带有热/冷区和监测设备的冷偏压-温循测试温变腔
图4显示了在-105~40℃的温度范围内进行的冷偏置温循温度曲线，在-105℃及+40℃停留时间为7min，升温速率>100℃/min。该温变量ΔT为145℃，且与热偏置-温循测试的高温和低温限值相反。在故障分析之前，对FPBGA组件进行了3000次循环。在测试过程中，使用数据采集装置每间隔10s测量每个通道（即区域）的电阻。在温循过程中进行了现场电阻测量，以检测电阻与标称读数相差+/-20%的任何元器件，如相差+/-20%以上，则认为是失效。此外，在测试之前以及每个通道的温循组之间的关键点，也采集了手动探测的电阻值。
图4：冷偏置-温循（-105~40℃）的代表性温度曲线
此外，在温循前后，从测试载体上切片FPBGA样品。这些元器件用于非破坏性3DX射线和破坏性显微剖切面分析。首先进行了无破坏性3DX射线检查，以确定是否可以通过显微切片识别开裂状况，以便进行后续的破坏性分析。将3D X射线虚拟剖切面与物理破坏性微剖切面的光学图像进行对比。此外，对比3000次循环前后的CTBGA 228元器件3D X射线“图像”。
测试结果和讨论
温循结果：来料时的BGA228元器件/老化后的SnPb BGA228组件
3个FPBGA组件完成了3000次冷偏置-温循（-105℃和+40℃）。每个组件有4个BGA196、4个BGA208、2个BGA228、2个BGA 360、2个LGA97、2个MLF100、2个MLC72和SMR。图5显示了对CABGA208和CTBGA228组件在3000次温循下的电阻连续监测。显然，CABGA208经3000次循环没有出现失效；因此，无法对比热/冷偏置失效循环次数与之前的CAB208 CTF结果。
然而，如监测图5所示，CTBGA228有2个失效，一个出现在2128次循环，另一个出现在2372次循环。这使我们能够与热偏置-温循（-45℃和+105℃）结果进行定性对比。电阻监测测试结果清楚地表明，一旦发生失效，在小于10%的CTF内，连续10个循环，按照IPC 9701的要求电阻将增加20%以上。
图5：出现2次失效的CTBGA及未出现失效的CABGA208的电阻监测图
图6显示了CTBGA228在热/冷偏置条件下循环至失效的威布尔数据图的定性对比，每个测试分别为-40℃/+105℃和-105℃/+40℃。在极端低温下的测试显示CTF较高。由于样本量有限，特别是对于冷偏置状况，很难得出结论，但可以说，随着极端高温的升高，早期失效的可能性会增加。
图6：CTBGA228在[-40℃，+105℃]和[-105℃，+40℃]下的威布尔图对比
失效分析
最新版IPC-9701的第6.2节专门说明失效分析和程序。与之前的版本一样，IPC-9701将失效分析方法分为非破坏性技术，如电气探测、目视检查、X射线分析和扫描声学显微镜（C-mode Scanning Acoustic Micros- copy，简称CSAM），以及破坏性技术如显微剖切（IPC-9241）和染色拉拔测试（IPC-TM-650方法2.4.53）。
正如标准所强调的那样，失效分析应始终从使用非破坏性方法开始，破坏性分析技术只能在之后使用。非破坏性及破坏性技术的确切选择将根据具体的组装设计和布局而有所不同。在破坏性失效分析技术方面，染色-拉拔测试提供了简单的方法，可找到封装内失效焊点的大致位置。然而，它无法提供有关故障机理和模式的详细信息。剖切可以提供有关失效模式的更多详细信息，以及焊点内的失效位置。
对于此项测试，除了连续的菊花链电阻监测外，还进行了计算断层扫描（Computed Tomography，简称CT）和失效分析（Failure Analyses，简称FA）。在进行有损性分析之前，对失效的BGA228进行了CT，以确定失效的位置。然后在这些位置进行染色-拉拔和剖切，以进一步可视化剖切面中断裂界面的位置。图7显示了基于CT图像的关注位置（发现关注区域位于焊料球的中间行）。
图7：在失效的CTBGA228中，关注区域的CT图像
图8显示了CT扫描显示的同一位置的整体剖切面图像。它显示了一个失效的CTBGA228，在2188次循环后显示出失效开始的迹象。
失效的CTBGA组件被分离并提交进行剖切和染色-拉拔分析。沿着器件边缘的部切面未显示出外周互连存在明显异常。染色-拉拔分析揭示了显著的焊料球断开，特别是在BGA的中间和内行。
根据染色-拉拔的结果，在CTBGA228的第二排上进行了第二次剖切。第二次剖切面上的大多数焊料球几乎完全开裂。
图8：CTBGA228组件在3000次冷偏置-温循后的剖切面、染色-拉拔图像，该组件在2188次循环后失效。失效发生在焊料中和封装侧。
通过显微剖切对失效的CABGA208 SnPb组件进行了评估，以进行进一步的失效验证，该失效是通过连续的菊花链电阻监测确定的。图9显示了“接收态”条件下的典型剪切失效，显示了封装侧的细直裂纹路径。裂纹始于角落晶片边缘下的焊料球，由于最高的CTE不匹配，这些焊料球球最容易开裂。
图9：SbPb CABGA208的典型剪切失效，显示了封装侧细且直的裂纹路径。
讨论
尽管完成了3000次冷偏置温循，但在封装菊花链电阻数据中观察到失效相对较少。对比CTBGA228在冷偏置温循下的CTF，它们的失效率远高于热偏置条件下的CTF。尽管Norris-Landzberg (NL) 公式不适用于冷偏置温循条件，但它预测AF约为2.9倍，这在一定程度上预示了CTF的增加。
CTBGA228封装中的焊点失效似乎是第二排焊点失效最高，可能是由于靠近与硅芯片阴影边缘相关的高应力区域。在冷偏置测试中观察到的焊点失效模式是沿着金属间化合物（IMC）与块状焊料的边界开裂。
这种失效模式与之前对同一封装的热偏置温循的结果相同。然而，对冷偏置和热偏置测试组的代表性焊点进行更仔细的检查确实揭示了关键的差异。具体来说，由于温循过程中经历的高温，热偏置组的焊点表现出更多的晶粒粗化。
此外，在某些焊点中，在金属间化合物附近的块状焊料中可以看到裂纹形成。在经受冷偏置温循的焊点中没有看到这种类型的焊点晶粒度和裂纹产生。虽然不是占主导地位的模式，但这种依赖于热驱动晶粒生长的二次失效模式似乎是热偏置温循所特有的。
结论
本文详细介绍了极端低温温循（-105~40℃）与相反的极端高温温循对比（-40~105℃）的影响，用于评估若干采用SnPb焊料组装的高阶FPBGA。冷偏置温循是外层空间任务的代表环境；而且是在高度加速的快升温速率和低停留时间条件下。主要发现总结如下：
冷偏置-温循冷偏压热循环下的失效循环次数约是热偏置热偏压热条件下的2倍。之前在热偏置-温循热偏压TC下失效的CABGA208，在冷偏置-温循冷偏压TC下没有失效；因此，对CTBGA228的CTF进行了对比。
3D X射线无法清楚地确定失效的位置。然而，显微剖切评估表明，冷偏置和热偏置条件下的失效均发生于封装侧的焊点，热偏置显示出更高的晶粒增长。在这两种情况下，失效都是从晶片边缘开始。
尽管已知焊点的Norris-Landzberg (NL) 公式不适用于冷偏置-温循条件，但它预测AF约为冷偏置/热偏置CTF的3倍，而有限的测试数据显示AF约为2倍。
所得出的经验教训和资格认证指南允许在高度加速的温循下进行测试，以缩小新高阶电子封装技术在高可靠性应用中的适用性。
致谢
本文介绍的研究工作，部分由加州理工学院Jet Propulsion Laboratory实验室根据与美国国家航空航天局的合同资助。版权归2023加州理工学院所有。
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