BGA焊點多次熱循環(huán)斷裂示意與分析

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，最后可能造成焊點斷裂。

BGA焊點熱循環(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可靠性的關(guān)鍵因素，因此需要知道熱疲勞過程中的焊點微觀結(jié)構(gòu)變化，進而推算出IMC對BGA焊點可靠的影響。

在剛完成焊接時焊點結(jié)構(gòu)精細。在600次熱循環(huán)后，Pb進一步擴散到了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晶粒進一步粗化并積聚形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

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。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展，形成穿晶裂紋。這為焊點連接處斷裂的出現(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)力時將更容易出現(xiàn)斷裂。此外，BGA-PCB一側(cè)的D區(qū)會有晶粒錯位。

焊點斷裂分析

無鉛焊料BGA焊點，焊料層和焊盤等材料的熱膨脹系數(shù)不匹配是焊點熱老化失效的主要誘因。當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的位錯能釋放部分應(yīng)力。(Cu,Ni)6Sn5傾向擴散到芯片焊盤的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)力作用下會出現(xiàn)穿晶裂痕。