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BGA焊点多次热循环断裂示意与分析

作者:绿志岛 2022-10-29 0

BGA的诞生是为了迎合提升集成电路芯片的I/O接口的数量需求,已经在高密度封装大批量运用。和传统微电子封装技术相比较,BGA是采用合金焊料球替代引脚来实现信号传输,大大降低了电信号的传输损耗。不过高密度的集成也会带来更高的使用温度,对BGA的高温老化可靠性增添了挑战。在高温作用下,焊点内部将持续产生热应力,导致疲劳累积,最后可能造成焊点断裂。

BGA焊点热循环测试

众所周知IMC的诞生是无铅锡膏焊接无法避免的。由于IMC在老化过程的生长是决定焊点可靠性的关键因素,因此需要知道热疲劳过程中的焊点微观结构变化,进而推算出IMC对BGA焊点可靠的影响。

在刚完成焊接时焊点结构精细。在600次热循环后,Pb进一步扩散到了BGA中,并且Pb晶粒开始粗化。此外,在完成1200次热循环后,在BGA-芯片一侧和BGA-PCB一侧都可以清楚地看到由Pb晶粒进一步粗化并积聚形成网络结构。

BGA焊点老化测试.png

在热循环3200次后,BGA-芯片一侧大致分为了Ni区,IMC(Cu,Ni)6Sn5区,Sn区。可以观察到Sn区出现了晶粒粗化和再结晶现象。(Cu,Ni)6Sn5区则是出现了一定程度的位错。另外,在BGA-PCB一侧可以看到AC区和BC区的界面出现了较长的裂纹,并沿着的晶界向外扩展,形成穿晶裂纹。这为焊点连接处断裂的出现带来隐患。还可以看到有空洞的形成。在空洞和裂纹的共同作用下,该区域受到应力时将更容易出现断裂。此外,BGA-PCB一侧的D区会有晶粒错位。

热循环3200的BGA焊点

焊点断裂分析

无铅焊料BGA焊点,焊料层和焊盘等材料的热膨胀系数不匹配是焊点热老化失效的主要诱因。当元器件使用过程中产生热应力,原材料的膨胀促使焊点内部和表层出现应力并逐步积累。Sn晶粒再结晶和(Cu,Ni)6Sn5的位错能释放部分应力。(Cu,Ni)6Sn5倾向扩散到芯片焊盘的Ni层并形成网格结构,也可以释放应力。可以知道的是Ni层起到抑制原子扩散的作用,减缓IMC生长,从而减缓断裂失效速度。而BGA-PCB界面处没有Ni层的阻隔,Cu6Sn5生长速度更快,在应力作用下会出现穿晶裂痕。

BGA植球焊接