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BGA(Ball Grid Array)封装是一种重要封装形式,它具有高密度、体积小、高可靠性、信号延迟少等优点。BGA器件通过焊球与PCB(Printed Circuit Board)连接以形成高一级的功能模块。因此焊球是BGA器件失效的关键部位。近年来,在绿色环保的要求下,焊球材料从原先的Sn-Pb转向Sn-Ag-Cu等无铅焊料。由于装配及使用过程中的机械力、振动;封装工艺过程中,BGA焊球金属间化合物(IMC)的存在、焊接引起的焊球空洞等原因,常常导致BGA焊球破坏,进而使BGA封装器件失效。尤其是焊球采用新的无铅化工艺后,BGA焊球的失效研究尚不充分。因此,研究无铅焊球性能对BGA封装器件的实际应用具有指导意义。本文对Sn-Pb、Sn-Ag3.0-Cu0.5、Sn-Ag3.0-Bi3.0-Ni0.5焊球在不同工艺参数条件下形成的焊点进行了不同速率的剪切实验。对回流次数、峰值温度、剪切速率的变化等因素对焊球剪切强度的影响、焊球断面的微观组织结构、断裂形式的观察进行了较为深入的研究。针对IMC层对焊球焊接强度的影响,本文对IMC层在回流焊过程中的生长进行了研究。利用电子显微镜和EDX考察了IMC层厚度、形貌以及组分随回流温度和回流次数的变化。结合剪切测试数据,定性分析了IMC层对焊球连接界面强度的影响。对长时间热循环载荷下IMC层厚度变化对焊球疲劳寿命的影响,本文采用有限元法进行了计算分析研究。采用改进算法,在计算过程中引入了IMC厚度的变化,利用能量法预测了焊球寿命。本文还采用有限元法对焊球中孔洞对温度、热应力分布的影响进行了研究。本文研究表明,焊球剪切强度随剪切速率持续升高先增加然后降低,原因是断裂位置与模式不同。高剪切速率情况下,趋向于脆性断裂。Sn-Ag3.0-Bi3.0-Ni0.5焊球剪切强度高于Sn-Ag3.0-Cu0.5焊料,回流温度,次数通过IMC层的变化对无铅焊球剪切强度产生影响。IMC过厚会导致剪切强度下降;计算模拟结果显示,温度循环作用下,考虑了IMC层的生长与不考虑IMC层生长相比,利用能量模型预测的焊球寿命降低约30%,表明IMC生长对焊球寿命有明显影响;对焊球中孔洞的模拟表明,焊球中的温度和热应力的极值和分布受到孔洞大小的影响,孔洞的存在增加了焊球失效的可能性。