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機械沖擊引起BGA脆斷
來源：CLTPHP 時間：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備中，使它們在遭受機械沖擊時，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為是不可接受的。
原則上，這種焊點可靠性以板級跌落測試為特征，但是這種測試有幾個缺點。每次跌落測試都會消耗數個封裝和數百個焊點，從而產生可觀的費用。另外，除非有高速實時數據采集系統可用于監視，否則焊點的裂縫在撞擊后可能會閉合，導致無法檢測到的故障。最后，數據分析很耗時，增加了可觀的費用。因此，必須找到在機械沖擊載荷條件下評估焊點完整性的替代方法。1個 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行比較，表明前者可能是可行的選擇。
使用多種BGA封裝結構進行了研究，該結構使用焊料合金，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）結構，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，包括化學鍍鎳沉金（ENIG）和有機可焊性防腐劑（OSP）。
316 PBGA樣品使用標準的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。將焊球在熱風對流回流爐中以150°C±2°C的預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）下進行熱老化，以促進在封裝基板/焊點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。使用了先進的高速鍵合測試機，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。
跌落試驗后的脆性斷裂表面（Sn4.0％Ag0.5Cu + OSP，老化500小時）。（1a）焊點的脆性斷裂面。（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，電路板應變和夾具加速度的記錄。進行了詳細的分析，以識別失效的焊點和相應的失效模式。焊球剪切和拉拔試驗的失效模式和加載速度與機械跌落試驗進行了對照，以進行比較。同樣，在焊球剪切和拉力測試期間記錄的能量吸收值被認為是解釋焊點失效模式的有效指標。
為了加速IMC的生長而進行的熱老化是在125°C的烤箱中進行的，持續時間為100、300和500小時。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，并使用雙軌導向裝置將其掉落。如上所述，一些板級測試樣品也經歷了熱老化。所有樣品都裝有菊花鏈，并接受實時數據采集監控。
在剪切和拉力測試樣品的脆性斷裂失效的兩個互補表面上進行的詳細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，在發生脆性斷裂的各種粘結測試參數與通過板級跌落測試觀察到的跌落失敗次數之間具有很強的相關性。2
從橫截面和斷裂表面的比較可以看出，跌落試驗的脆性斷裂界面與高速球剪切試驗和拉力試驗顯示出驚人的相似性。結果表明，在高速粘結測試中獲得的脆性斷裂是板級跌落測試行為的有力指標。當前工作的一個顯著特征是努力，它導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行比較。3
跌落測試
進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在實際生產的電路板上更為典型，但SMD的優勢在于其相關性研究，即在封裝側更容易發生板級跌落測試斷裂位置。這很重要，因為焊料球的剪切/拉力測試只能評估封裝側的斷裂，因為該元件未連接至PCB。經受跌落測試的焊點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果的簡短摘要（每個數據點8個組件）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。對于經過兩次回流的無時效OSP試樣，在Cu 6 Sn 5 IMC和Cu層之間發現了脆性斷裂破壞。熱老化后OSP試樣的脆性斷裂破壞發生在Cu 6 Sn 5和Cu 3 Sn IMC相之間。進行高速剪切和拉力測試的焊點表面出現脆性斷裂，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。這部分是由于此類研究的困難，無論是在獲取單個剪切或拉動的球并將其與相應的墊塊匹配方面，還是在隨后的橫截面工作方面。
直接相關
除了觀察到的微觀結構相關性外，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之間的強相關性。與焊球剪切/拉力和跌落測試結果相關的數學關聯非常復雜。盡管如此，圖4以圖形方式總結了一種創新的方法。這些圖將剪切和拉動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聯。簡而言之，通過繪制每個時間點的落差值與剪切或拉力測試的等效數據作圖，然后進行冪律曲線擬合，即可得出該圖。每條曲線對應一個焊球剪切或拉力測試速度。
