bga焊點(diǎn)斷裂，怎么判別

bga封裝由于其效率、功能等方面的優(yōu)勢已經(jīng)廣泛 應用于各種電子產(chǎn)品；而在中低檔的電子產(chǎn)品中，由于考慮到設計成本的因素，仍然廣泛的采用了回 流焊和波峰焊雙面混裝的工藝路線(xiàn)。由于波峰焊工藝帶來(lái) 的對PCBA組件的瞬時(shí)溫度沖擊以及局部熱應力問(wèn)題，給 BGA的應用帶來(lái)了一定的質(zhì)量和可靠性問(wèn)題，研究和分析 其可能存在的失效機理，對于提升產(chǎn)品壽命、減少市場(chǎng)失效有著(zhù)十分重要的意義。

在本文研究的案例中，發(fā)現Top面的BGA封裝經(jīng)歷了波 峰焊工藝之后，在可靠性測試中出現了較多的早期失效， 通過(guò)采用故障定位、無(wú)損分析、切片分析以及微觀(guān)分析的多種分析手段，對各種可能的失效機理進(jìn)行了研究，得出 了產(chǎn)生該失效的根本原因。

無(wú)損分析
某設計采用了BGA封裝（基板表面處理為NiAu鍍層， PCB表面處理為HASL，焊球和焊料均為SnPb共晶合金）。 在Top面回流焊接，而B(niǎo)ottom面采用波峰焊接的工藝路 線(xiàn)，組裝完成后功能測試 正常。但是在隨后進(jìn)行的DVT測試中，發(fā)現BGA封裝 的CPU芯片在溫度循環(huán)測試中出現了早期失效，功能時(shí) 斷時(shí)續，通過(guò)按壓的方式能 暫時(shí)恢復功能。采用IV曲線(xiàn) 和TDR的測試，故障可以被 定位到該BGA附近，初步 判斷為BGA的焊點(diǎn)附近出現了開(kāi)路失效。

進(jìn)一步的采用Ersa Scope以及3D X－ray對該BGA進(jìn)行觀(guān)察分析，如同圖2所示，沒(méi)有發(fā)現BGA焊點(diǎn)和PTH的明顯 異常。需要采用有損的方式對該失效進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

染色起拔和斷口分析
對該BGA器件進(jìn)行染色起拔試驗，發(fā)現大多數焊點(diǎn)從焊盤(pán)與PCB基材之間出現分離（圖3）；但是故障網(wǎng)絡(luò )上 的焊點(diǎn)出現平整的脆性斷口，且整個(gè)斷口被紅色染色劑染色，證實(shí)該位置的焊點(diǎn)在起拔之前已經(jīng)完全分離，分離界 面為封裝基板側和焊點(diǎn)之間。同時(shí)，在該BGA器件中，還 有另外的幾個(gè)焊點(diǎn)呈現相似的脆性斷口形貌（圖4）。染色 劑的分布顯示，部分焊點(diǎn)在起拔試驗之前出現了全部或者 部分的斷裂，也有部分焊點(diǎn)為起拔試驗過(guò)程中出現的脆性 斷裂。

基于以上的試驗可以證實(shí)，該功能失效是由于BGA器件部分焊點(diǎn)在測試過(guò)程中出現了焊點(diǎn)界面的脆性斷裂所導 致，因此有必要對脆性斷口的界面進(jìn)行進(jìn)一步的分析。 采用SEM對脆性斷口分析，顯示脆性斷裂界面形貌為沙石狀的基底上分布著(zhù)離散的三棱狀狀結構，采用EDX進(jìn)行 成份分析表明：沙石狀主要為Ni、Sn元素，也發(fā)現了微量 的Cu元素；而三棱柱狀的主要為Ni、Sn、Cu元素。

對該BGA上其他焊點(diǎn)采用5% HNO3溶液將SnPb焊料 去除后觀(guān)察界面，結果在器件的封裝基板側均發(fā)現了在沙石狀的基底IMC上著(zhù)鑲 嵌有粗大的棱狀物，除 前述的三棱柱狀外，還 包括實(shí)心和空心的六棱 柱狀結構，經(jīng)EDX分析 都可以被確認為Ni-Sn- C u 三元I M C ( 圖6 和圖7）。

這些結構與Jeong Won Yoon[1]等人觀(guān)察到的現象一致；中空六棱 柱狀Ni-Sn-Cu IMC與 Kim[2]報道的SAC焊點(diǎn)內 部發(fā)現的Cu6Sn5結構類(lèi)似；而D.Z.Li[3]的研究采用EBSD(背 散射電子衍射)獲得了Ni-Sn-Cu的衍射花樣，證實(shí)了其晶體 結構與Cu6Sn5一致。

基于以上的研究和本研究的結果可以得出：

1、在焊點(diǎn)結構中同時(shí)出現Ni、Cu元素時(shí)，將導致Ni- Sn-Cu三元合金的出現，這是一種普遍現象；

2、熱力學(xué)分析表明[4]：穩態(tài)條件下，即可能形成三元 IMC Ni26Cu29Sn45（固定成分）；由于焊接過(guò)程的瞬時(shí) 熱沖擊和局部的熱效應作用，導致焊接條件下形成的三元 IMC首先表面為非穩態(tài)結構；

3、由于Cu的擴散能力較之Ni強，因此在靠近Ni界面的 IMC中容易發(fā)現Ni-Sn-Cu的三元合金；Ni（NiCu）3Sn4與 （CuNi）6Sn5幾乎同時(shí)生成[5]，前者比較連續，而后者不 連續；它們分別由Cu或者Ni元素在Ni3Sn4與Cu6Sn5結構中固溶而成；

4、六棱柱是Ni-Sn-Cu的穩定結構，接近Cu6Sn5的晶 體結構，其實(shí)心、空心的狀態(tài)取決于個(gè)體。IMC形核后首先 形成中空六棱柱結構，此后若趨向于縱向生長(cháng)，則保持中空；若橫向生長(cháng)，則變?yōu)閷?shí)心。實(shí)際觀(guān)察到長(cháng)而直的IMC往 往是中空結構，而短的IMC往往是實(shí)心，為這一說(shuō)法提供了佐證；

5、三棱柱結構的形成以及沙石狀（NiCu）3Sn4的結 構形態(tài)分析還沒(méi)有明確的結論；

6、業(yè)界對Ni-Sn-Cu對焊點(diǎn)可靠性的影響有較多的研究[6－10]。Qalcomm、Solectron、Siemense、UIC均發(fā)現三元IMC引起的脆性斷裂，主要原因是Ni-Sn-Cu與Ni-Sn之 間結合不良，而Solectron還認為會(huì )導致重熔時(shí)縮錫；也有 Jeong-Won Yoon等認為不存在可靠性風(fēng)險，Philips甚至發(fā)現Cu-Ni-Sn的形成可以改善金脆。但是在本研究中，并不能證實(shí)該三元合金是造成焊點(diǎn)早期失效的唯一因素。

金相切片分析
斷口分析的結果顯示Ni-Sn-Cu的三元合金并不是本次失效的根本原因，因此繼續對失效樣本進(jìn)行切片分析。

在本失效分析研究中，觀(guān)察功能測試懷疑失效的焊 點(diǎn)，可以發(fā)現這些焊點(diǎn)的組織基本正常（圖8），焊點(diǎn)和 BGA封裝基板出現斷裂現象，但是焊點(diǎn)和PCB側焊盤(pán)連接 正常，靠近PCB側焊盤(pán)的組織出現輕微的粗化現象。采用 SEM對切片進(jìn)行觀(guān)察，可以證實(shí)前期斷口分析和染色起拔 試驗的結果，分離界面為IMC和SnPb焊點(diǎn)之間。

對切片進(jìn)行分析， 還 可以發(fā)現另外的兩類(lèi)組織結 構圖片，一類(lèi)主要位于器件 四周，或者距離孔十分近的位置且用大焊盤(pán)連接；這些 焊點(diǎn)顯示出從BGA封裝基板 處向PCB側的晶粒生長(cháng)方向性，初步判斷在波峰焊過(guò)程 中出現了重熔現象（圖9）， 由于波峰焊接時(shí)熱量從底部向上傳導，因此器件側溫度低 于PCB側，焊點(diǎn)重熔之后冷卻結晶時(shí)，晶粒首先在靠近器件 側的位置萌生。

另外一類(lèi)焊點(diǎn)組織形貌出現了明顯的局部重熔的形 貌，如圖10所示，可以在靠近PCB側焊盤(pán)位置的附近發(fā) 現晶粒組織細小，而其上部靠近封裝基板側的晶粒組織粗大，兩種組織將焊點(diǎn)清晰地分為兩個(gè)部分。這種形貌的焊點(diǎn)占到了整個(gè)器件焊點(diǎn)的50％以上，而且沒(méi)有發(fā)現任何的 焊點(diǎn)開(kāi)裂或者裂紋萌生的現象。

這是由于波峰焊屬于瞬時(shí)的熱傳遞過(guò)程，在波峰焊過(guò) 程中，過(guò)孔的熱傳導作用比較明顯。在完成波峰焊之前，過(guò)孔傳遞的熱量不足以融化整個(gè)焊點(diǎn)，因此出現了靠近 PCB焊盤(pán)的下側焊點(diǎn)達到SnPb焊點(diǎn)的熔點(diǎn)183°C而重熔， 晶粒組織細化；上側焊點(diǎn)僅僅受到熱的作用發(fā)生組織粗 化；出現了典型的混合形貌特征。

第三類(lèi)焊點(diǎn)分布比較離散，較多的PCB焊盤(pán)附近都有孔出現。

對失效焊點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，可以發(fā)現這些焊點(diǎn)都 通過(guò)長(cháng)走線(xiàn)和過(guò)孔相連，走線(xiàn)長(cháng)度遠遠大于其他與過(guò)孔相連的焊點(diǎn)。從設計文件上可以看出（圖11），這些焊點(diǎn)的 PCB側焊盤(pán)都通過(guò)長(cháng)走線(xiàn)與過(guò)孔相連，將電信號傳向內層。由于過(guò)孔距離較遠，這些焊點(diǎn)接受過(guò)孔傳遞的熱量較少， 溫度相對較低；焊點(diǎn)沒(méi)有出現重熔現象，即使是靠近PCB側 的焊點(diǎn)組織粗化現象也十分輕微。而且數據分析表明，走線(xiàn)距離越長(cháng)的焊點(diǎn)失效概率越高。

結論
綜合以上現象可以獲得以下結論：

1、切片顯示焊點(diǎn)斷裂為過(guò)應力失效模式，分離界面為IMC和焊點(diǎn)之間；

2、在波峰焊條件下，Top面的BGA焊點(diǎn)組織形貌與其 設計強相關(guān)，其位置以及與過(guò)孔之間連線(xiàn)的長(cháng)度等都是影 響其組織形貌的關(guān)鍵因素；

3、根據設計影響因素和實(shí)際波峰焊焊接條件，本研究 中出現了焊點(diǎn)完全重熔、部分重熔部分粗化的混合模式以及輕微粗化三種形貌特征，多數焊點(diǎn)呈現出混合模式特征； 4、失效焊點(diǎn)距離走線(xiàn)距離最長(cháng)，溫度最低，沒(méi)有重熔 現象。

采用F E M 對該封 裝結構進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析可以發(fā)現，無(wú)論是由于 PCB變形導致焊點(diǎn)受到 的機械完全應力，還是 由于CTE失配導致的循環(huán)疲勞應力條件下，失 效焊點(diǎn)位置都不是風(fēng)險 點(diǎn)（圖12），因此可以 證實(shí)在外界應力作用下，如果焊點(diǎn)的強度相同，這些位置的焊點(diǎn)應該不是首先失效的焊點(diǎn)。

基于這些分析，可以證實(shí)失效位置處焊點(diǎn)的強度遠 遠低于其他位置的焊點(diǎn)強度；在DVT測試中，失效首先在 這些薄弱位置出現。為什么這些焊點(diǎn)是強度薄弱點(diǎn)呢？這 是由于這些焊點(diǎn)距離過(guò)孔較遠，波峰焊時(shí)溫度較低未發(fā)生重熔；而周?chē)�焊點(diǎn)發(fā)生全部或者局部重熔；而波峰焊過(guò)程 中，由于熱沖擊和局部熱效應的影響，BGA器件及PCB產(chǎn) 生局部變形并產(chǎn)生應力，由于多數焊點(diǎn)重熔具備自由伸縮 能力，因此所有應力加載于個(gè)別未重熔焊點(diǎn)，導致該焊點(diǎn) 出現裂紋萌生或開(kāi)焊；這些焊點(diǎn)在后續測試過(guò)程中出現早期失效。

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