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機(jī)械沖擊引起B(yǎng)GA脆斷
來源：CLTPHP 時(shí)間：2020/04/09
BGA封裝中越來越多地使用無鉛焊料，該BGA封裝廣泛用于便攜式設(shè)備中，使它們在遭受機(jī)械沖擊時(shí)，容易在焊球到焊盤界面的脆性斷裂失效。焊球和封裝基板鍵合焊盤之間的界面處的脆性斷裂被認(rèn)為是不可接受的。
原則上，這種焊點(diǎn)可靠性以板級跌落測試為特征，但是這種測試有幾個(gè)缺點(diǎn)。每次跌落測試都會消耗數(shù)個(gè)封裝和數(shù)百個(gè)焊點(diǎn)，從而產(chǎn)生可觀的費(fèi)用。另外，除非有高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可用于監(jiān)視，否則焊點(diǎn)的裂縫在撞擊后可能會閉合，導(dǎo)致無法檢測到的故障。最后，數(shù)據(jù)分析很耗時(shí)，增加了可觀的費(fèi)用。因此，必須找到在機(jī)械沖擊載荷條件下評估焊點(diǎn)完整性的替代方法。1個(gè) 將高速焊接測試與使用無鉛焊球和各種封裝基板表面光潔度的BGA封裝的板級跌落測試進(jìn)行比較，表明前者可能是可行的選擇。
使用多種BGA封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，該結(jié)構(gòu)使用焊料合金，表面光潔度，基材材料，焊球尺寸和封裝尺寸的各種組合。測試的典型器件為316 PBGA（27 mm×27 mm）結(jié)構(gòu)，使用Sn 4.0％/ Ag 0.5％/ Cu（SAC 405）焊球，并采用不同的基板表面光潔度制成，包括化學(xué)鍍鎳沉金（ENIG）和有機(jī)可焊性防腐劑（OSP）。
316 PBGA樣品使用標(biāo)準(zhǔn)的0.76毫米直徑球體。封裝基板由厚度為0.36毫米的BT層壓板組成。阻焊墊由阻焊層限定，開口的直徑為0.635毫米。將焊球在熱風(fēng)對流回流爐中以150°C±2°C的預(yù)熱無鉛焊接曲線連接到基板上，峰值回流溫度為260°C。
將樣品分成幾組，在125°C（0至500小時(shí)）下進(jìn)行熱老化，以促進(jìn)在封裝基板/焊點(diǎn)界面處形成金屬間化合物（IMC）。高速滾珠剪切測試的范圍從10 mm / s到3,000 mm / s，高速滾珠拉伸測試的范圍從5 mm / s到500 mm / s。使用了先進(jìn)的高速鍵合測試機(jī)，配備了控制和分析軟件以及下一代力傳感器，它們能夠在球剪切和球拉力測試中評估焊球的斷裂能。
跌落試驗(yàn)后的脆性斷裂表面（Sn4.0％Ag0.5Cu + OSP，老化500小時(shí)）。（1a）焊點(diǎn)的脆性斷裂面。（1b）（a）的匹配墊的脆性斷裂表面。（1c）在（a）中由矩形指示的位置的特寫視圖（1d）在（b）中由矩形指示的位置的特寫視圖
研究的第二部分涉及板級跌落測試，記錄電阻，電路板應(yīng)變和夾具加速度的記錄。進(jìn)行了詳細(xì)的分析，以識別失效的焊點(diǎn)和相應(yīng)的失效模式。焊球剪切和拉拔試驗(yàn)的失效模式和加載速度與機(jī)械跌落試驗(yàn)進(jìn)行了對照，以進(jìn)行比較。同樣，在焊球剪切和拉力測試期間記錄的能量吸收值被認(rèn)為是解釋焊點(diǎn)失效模式的有效指標(biāo)。
為了加速IMC的生長而進(jìn)行的熱老化是在125°C的烤箱中進(jìn)行的，持續(xù)時(shí)間為100、300和500小時(shí)。熱老化后，將一些帶有焊球的PBGA樣品成型，橫截面和蝕刻，然后通過掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行檢查和分析。將類似的BGA樣品組裝在測試板上，并使用雙軌導(dǎo)向裝置將其掉落。如上所述，一些板級測試樣品也經(jīng)歷了熱老化。所有樣品都裝有菊花鏈，并接受實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控。
在剪切和拉力測試樣品的脆性斷裂失效的兩個(gè)互補(bǔ)表面上進(jìn)行的詳細(xì)SEM分析表明，其與板級跌落測試以及高速剪切和拉力測試期間生成的相似。此外，在發(fā)生脆性斷裂的各種粘結(jié)測試參數(shù)與通過板級跌落測試觀察到的跌落失敗次數(shù)之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性。2
從橫截面和斷裂表面的比較可以看出，跌落試驗(yàn)的脆性斷裂界面與高速球剪切試驗(yàn)和拉力試驗(yàn)顯示出驚人的相似性。結(jié)果表明，在高速粘結(jié)測試中獲得的脆性斷裂是板級跌落測試行為的有力指標(biāo)。當(dāng)前工作的一個(gè)顯著特征是努力，它導(dǎo)致將高速鍵合測試和板級跌落測試的脆性故障的物理特性直接進(jìn)行比較。3
跌落測試
進(jìn)行了板級跌落測試的測試板均采用非焊料掩模定義（NSMD）和焊料掩模定義（SMD）焊盤幾何形狀制造。在這兩種情況下，浸有焊料的焊盤直徑均為0.684 mm。盡管NSMD在實(shí)際生產(chǎn)的電路板上更為典型，但SMD的優(yōu)勢在于其相關(guān)性研究，即在封裝側(cè)更容易發(fā)生板級跌落測試斷裂位置。這很重要，因?yàn)楹噶锨虻募羟?/font>/拉力測試只能評估封裝側(cè)的斷裂，因?yàn)樵撛催B接至PCB。經(jīng)受跌落測試的焊點(diǎn)表面脆性斷裂的外觀
測試板組件從跌落到跌落的跌落測試結(jié)果的簡短摘要（每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)8個(gè)組件）表明，與具有ENIG涂層的OSP封裝基板表面涂層相比，OSP封裝襯底表面涂層的熱老化會使其降解更快。
高速粘結(jié)測試
深圳小銘打樣SMT貼片加工：ENIG表面光潔度試樣的脆性斷裂失敗通常是在IMC和Ni層之間引起的。對于經(jīng)過兩次回流的無時(shí)效OSP試樣，在Cu 6 Sn 5 IMC和Cu層之間發(fā)現(xiàn)了脆性斷裂破壞。熱老化后OSP試樣的脆性斷裂破壞發(fā)生在Cu 6 Sn 5和Cu 3 Sn IMC相之間。進(jìn)行高速剪切和拉力測試的焊點(diǎn)表面出現(xiàn)脆性斷裂，如圖2和
先前對高速焊球剪切和拉力測試的評估已經(jīng)觀察到脆性斷裂，其外觀與在板級跌落測試組件中觀察到的脆性斷裂模式相似，但是幾乎沒有確定的橫截面證據(jù)。這部分是由于此類研究的困難，無論是在獲取單個(gè)剪切或拉動(dòng)的球并將其與相應(yīng)的墊塊匹配方面，還是在隨后的橫截面工作方面。
直接相關(guān)
除了觀察到的微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)性外，還觀察到了用于高速粘合測試和板級跌落測試的測試參數(shù)之間的強(qiáng)相關(guān)性。與焊球剪切/拉力和跌落測試結(jié)果相關(guān)的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)非常復(fù)雜。盡管如此，圖4以圖形方式總結(jié)了一種創(chuàng)新的方法。這些圖將剪切和拉動(dòng)焊錫球測試的脆性斷裂百分比與本研究中使用的特定封裝和跌落測試條件的跌落至失敗相關(guān)聯(lián)。簡而言之，通過繪制每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的落差值與剪切或拉力測試的等效數(shù)據(jù)作圖，然后進(jìn)行冪律曲線擬合，即可得出該圖。每條曲線對應(yīng)一個(gè)焊球剪切或拉力測試速度。
