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BGA焊點(diǎn)多次熱循環(huán)斷裂示意與分析

作者:綠志島 2022-10-29 0

BGA的誕生是為了迎合提升集成電路芯片的I/O接口的數(shù)量需求,已經(jīng)在高密度封裝大批量運(yùn)用。和傳統(tǒng)微電子封裝技術(shù)相比較,BGA是采用合金焊料球替代引腳來實(shí)現(xiàn)信號傳輸,大大降低了電信號的傳輸損耗。不過高密度的集成也會(huì)帶來更高的使用溫度,對BGA的高溫老化可靠性增添了挑戰(zhàn)。在高溫作用下,焊點(diǎn)內(nèi)部將持續(xù)產(chǎn)生熱應(yīng)力,導(dǎo)致疲勞累積,最后可能造成焊點(diǎn)斷裂。

BGA焊點(diǎn)熱循環(huán)測試

眾所周知IMC的誕生是無鉛錫膏焊接無法避免的。由于IMC在老化過程的生長是決定焊點(diǎn)可靠性的關(guān)鍵因素,因此需要知道熱疲勞過程中的焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)變化,進(jìn)而推算出IMC對BGA焊點(diǎn)可靠的影響。

在剛完成焊接時(shí)焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)精細(xì)。在600次熱循環(huán)后,Pb進(jìn)一步擴(kuò)散到了BGA中,并且Pb晶粒開始粗化。此外,在完成1200次熱循環(huán)后,在BGA-芯片一側(cè)和BGA-PCB一側(cè)都可以清楚地看到由Pb晶粒進(jìn)一步粗化并積聚形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

BGA焊點(diǎn)老化測試.png

在熱循環(huán)3200次后,BGA-芯片一側(cè)大致分為了Ni區(qū),IMC(Cu,Ni)6Sn5區(qū),Sn區(qū)。可以觀察到Sn區(qū)出現(xiàn)了晶粒粗化和再結(jié)晶現(xiàn)象。(Cu,Ni)6Sn5區(qū)則是出現(xiàn)了一定程度的位錯(cuò)。另外,在BGA-PCB一側(cè)可以看到AC區(qū)和BC區(qū)的界面出現(xiàn)了較長的裂紋,并沿著的晶界向外擴(kuò)展,形成穿晶裂紋。這為焊點(diǎn)連接處斷裂的出現(xiàn)帶來隱患。還可以看到有空洞的形成。在空洞和裂紋的共同作用下,該區(qū)域受到應(yīng)力時(shí)將更容易出現(xiàn)斷裂。此外,BGA-PCB一側(cè)的D區(qū)會(huì)有晶粒錯(cuò)位。

熱循環(huán)3200的BGA焊點(diǎn)

焊點(diǎn)斷裂分析

無鉛焊料BGA焊點(diǎn),焊料層和焊盤等材料的熱膨脹系數(shù)不匹配是焊點(diǎn)熱老化失效的主要誘因。當(dāng)元器件使用過程中產(chǎn)生熱應(yīng)力,原材料的膨脹促使焊點(diǎn)內(nèi)部和表層出現(xiàn)應(yīng)力并逐步積累。Sn晶粒再結(jié)晶和(Cu,Ni)6Sn5的位錯(cuò)能釋放部分應(yīng)力。(Cu,Ni)6Sn5傾向擴(kuò)散到芯片焊盤的Ni層并形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu),也可以釋放應(yīng)力。可以知道的是Ni層起到抑制原子擴(kuò)散的作用,減緩IMC生長,從而減緩斷裂失效速度。而BGA-PCB界面處沒有Ni層的阻隔,Cu6Sn5生長速度更快,在應(yīng)力作用下會(huì)出現(xiàn)穿晶裂痕。

BGA植球焊接

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