隨著B(niǎo)GA芯片被運(yùn)用得越來(lái)越多，而且BGA封裝是一種高效率，功能齊全的封裝方式。出于對(duì)成本的考慮很多中低檔的電子產(chǎn)品中仍然廣泛的采用了回流焊和波峰焊雙面混裝的工藝路線。但是這種工藝的處理方式很容易造成焊點(diǎn)斷裂，那么我們應(yīng)該怎么判別BGA返修焊點(diǎn)斷裂呢，接下來(lái)由崴泰BGA返修臺(tái)廠家小編給大家介紹一下：

　　在我們的對(duì)BGA返修焊點(diǎn)斷裂進(jìn)行研究的時(shí)候發(fā)現(xiàn)Top面的BGA封裝經(jīng)歷了波 峰焊工藝之后，在可靠性測(cè)試中出現(xiàn)了較多的早期失效， 通過(guò)采用故障定位、無(wú)損分析、切片分析以及微觀分析的多種分析手段，對(duì)各種可能的失效機(jī)理進(jìn)行了研究，得出了產(chǎn)生BGA返修焊點(diǎn)斷裂的根本原因。我之前也簡(jiǎn)單提到過(guò)BGA焊點(diǎn)斷開(kāi)的原因如果大家有興趣可以了解一下《BGA焊接時(shí)焊點(diǎn)斷開(kāi)是什么原因引起的》。

　

　　BGA返修焊點(diǎn)斷裂之無(wú)損分析

　　崴泰科技采用了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，組裝完成后功能測(cè)試 正常。但是在隨后進(jìn)行的 DVT測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)BGA封裝 的CPU芯片在溫度循環(huán)測(cè)試 中出現(xiàn)了早期失效，功能時(shí) 斷時(shí)續(xù)，通過(guò)按壓的方式能 暫時(shí)恢復(fù)功能。采用IV曲線 和TDR的測(cè)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(xiàn)了開(kāi)路失效。

　　進(jìn)一步的采用Ersa Scope以及3D X-ray對(duì)該BGA進(jìn)行觀察分析，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)BGA焊點(diǎn)和PTH的明顯異常。需要采用有損的方式對(duì)該失效進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

　　

　　BGA返修焊點(diǎn)斷裂之染色起拔和斷口分析

　　對(duì)該BGA器件進(jìn)行染色起拔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)焊點(diǎn)從焊盤與PCB基材之間出現(xiàn)分離(圖3);但是故障網(wǎng)絡(luò)上的焊點(diǎn)出現(xiàn)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(cè)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(xiàn)相似的脆性斷口形貌。染色 劑的分布顯示，部分焊點(diǎn)在起拔試驗(yàn)之前出現(xiàn)了全部或者部分的斷裂，也有部分焊點(diǎn)為起拔試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的脆性斷裂。

　　基于以上的試驗(yàn)可以證實(shí)，該功能失效是由于BGA器件部分焊點(diǎn)在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)了焊點(diǎn)界面的脆性斷裂所導(dǎo)致，因此有必要對(duì)脆性斷口的界面進(jìn)行進(jìn)一步的分析。采用SEM對(duì)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離散的三棱狀狀結(jié)構(gòu)，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(xiàn)了微量的Cu元素;而三棱柱狀的主要為Ni、Sn、Cu元素。

　　

　　對(duì)BGA返修其他焊點(diǎn)采用5% HNO3溶液將SnPb焊料去除后觀察界面，結(jié)果在器件的封裝基板側(cè)均發(fā)現(xiàn)了在沙 石狀的基底IMC上著鑲 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(jié)構(gòu)，經(jīng)EDX分析都可以被確認(rèn)為Ni-Sn- C u 三元I M C。

　　這些結(jié)構(gòu)與Jeong Won Yoon[1]等人觀察到的現(xiàn)象一致;中空六棱柱狀Ni-Sn-Cu IMC與 Kim[2]報(bào)道的SAC焊點(diǎn)內(nèi) 部發(fā)現(xiàn)的Cu6Sn5結(jié)構(gòu)類似;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(jié)構(gòu)與Cu6Sn5一致。

　

　　基于以上的研究和本研究的結(jié)果可以得出：

　　1、在焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)中同時(shí)出現(xiàn)Ni、Cu元素時(shí)，將導(dǎo)致Ni- Sn-Cu三元合金的出現(xiàn)，這是一種普遍現(xiàn)象;

　　2、熱力學(xué)分析表明[4]：穩(wěn)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(yīng)作用，導(dǎo)致焊接條件下形成的三元IMC首先表面為非穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu);

　　3、由于Cu的擴(kuò)散能力較之Ni強(qiáng)，因此在靠近Ni界面的 IMC中容易發(fā)現(xiàn)Ni-Sn-Cu的三元合金;Ni(NiCu)3Sn4與 (CuNi)6Sn5幾乎同時(shí)生成，前者比較連續(xù)，而后者不連續(xù);它們分別由Cu或者Ni元素在Ni3Sn4與Cu6Sn5結(jié)構(gòu)中 固溶而成;

　　4、六棱柱是Ni-Sn-Cu的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，接近Cu6Sn5的晶 體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，此后若趨向于縱向生長(zhǎng)，則保持中 空;若橫向生長(zhǎng)，則變?yōu)閷?shí)心。實(shí)際觀察到長(zhǎng)而直的IMC往 往是中空結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的形成以及沙石狀(NiCu)3Sn4的結(jié)構(gòu)形態(tài)分析還沒(méi)有明確的結(jié)論;

　　6、業(yè)界對(duì)Ni-Sn-Cu對(duì)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(xiàn)三 元IMC引起的脆性斷裂，主要原因是Ni-Sn-Cu與Ni-Sn之間結(jié)合不良，而Solectron還認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致重熔時(shí)縮錫;也有 Jeong-Won Yoon等認(rèn)為不存在可靠性風(fēng)險(xiǎn)，Philips甚至發(fā)現(xiàn)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。

　　

　　BGA返修焊點(diǎn)斷裂之金相切片分析

　　斷口分析的結(jié)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(xù)對(duì)失效樣本進(jìn)行切片分析。

　　在本BGA返修焊點(diǎn)斷裂分析研究中，觀察功能測(cè)試懷疑失效的焊點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)這些焊點(diǎn)的組織基本正常，焊點(diǎn)和BGA封裝基板出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，但是焊點(diǎn)和PCB側(cè)焊盤連接 正常，靠近PCB側(cè)焊盤的組織出現(xiàn)輕微的粗化現(xiàn)象。采用SEM對(duì)切片進(jìn)行觀察，可以證實(shí)前期斷口分析和染色起拔試驗(yàn)的結(jié)果，分離界面為IMC和SnPb焊點(diǎn)之間。

　　對(duì)切片進(jìn)行分析， 還可以發(fā)現(xiàn)另外的兩類組織結(jié) 構(gòu)圖片，一類主要位于器件 四周，或者距離孔十分近的 位置且用大焊盤連接;這些 焊點(diǎn)顯示出從BGA封裝基板 處向PCB側(cè)的晶粒生長(zhǎng)方向 性，初步判斷在波峰焊過(guò)程 中出現(xiàn)了重熔現(xiàn)象， 由于波峰焊接時(shí)熱量從底部向上傳導(dǎo)，因此器件側(cè)溫度低 于PCB側(cè)，焊點(diǎn)重熔之后冷卻結(jié)晶時(shí)，晶粒首先在靠近器件側(cè)的位置萌生。

　　

　　另外一類焊點(diǎn)組織形貌出現(xiàn)了明顯的局部重熔的形狀，可以在靠近PCB側(cè)焊盤位置的附近發(fā)現(xiàn)晶粒組織細(xì)小，而其上部靠近封裝基板側(cè)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(xiàn)任何的 焊點(diǎn)開(kāi)裂或者裂紋萌生的現(xiàn)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(dǎo)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(xiàn)了靠近 PCB焊盤的下側(cè)焊點(diǎn)達(dá)到SnPb焊點(diǎn)的熔點(diǎn)183°C而重熔， 晶粒組織細(xì)化;上側(cè)焊點(diǎn)僅僅受到熱的作用發(fā)生組織粗 化;出現(xiàn)了典型的混合形貌特征。

　　BGA返修焊點(diǎn)斷裂之第三類焊點(diǎn)分布比較離散，較多的PCB焊盤附近都有 孔出現(xiàn)。

　　對(duì)失效焊點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，可以發(fā)現(xiàn)這些焊點(diǎn)都通過(guò)長(zhǎng)走線和過(guò)孔相連，走線長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他與過(guò)孔相連的焊點(diǎn)。從設(shè)計(jì)文件上可以看出，這些焊點(diǎn)的PCB側(cè)焊盤都通過(guò)長(zhǎng)走線與過(guò)孔相連，將電信號(hào)傳向內(nèi)層。由于過(guò)孔距離較遠(yuǎn)，這些焊點(diǎn)接受過(guò)孔傳遞的熱量較少，溫度相對(duì)較低;焊點(diǎn)沒(méi)有出現(xiàn)重熔現(xiàn)象，即使是靠近PCB側(cè)的焊點(diǎn)組織粗化現(xiàn)象也十分輕微。而且數(shù)據(jù)分析表明，走線距離越長(zhǎng)的焊點(diǎn)失效概率越高。

　　

　　綜合以上現(xiàn)象可以針對(duì)BGA返修焊點(diǎn)斷裂的問(wèn)題得出以下結(jié)論：

　　1、切片顯示焊點(diǎn)斷裂為過(guò)應(yīng)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(shè)計(jì)強(qiáng)相關(guān)，其位置以及與過(guò)孔之間連線的長(zhǎng)度等都是影響其組織形貌的關(guān)鍵因素;

　　3、根據(jù)設(shè)計(jì)影響因素和實(shí)際波峰焊焊接條件，本研究 中出現(xiàn)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(shù)焊點(diǎn)呈現(xiàn)出混合模式特征; 4、失效焊點(diǎn)距離走線距離最長(zhǎng)，溫度最低，沒(méi)有重熔現(xiàn)象。

　　采用F E M 對(duì)該封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是由于PCB變形導(dǎo)致焊點(diǎn)受到的機(jī)械完全應(yīng)力，還是由于CTE失配導(dǎo)致的循環(huán)疲勞應(yīng)力條件下，失效焊點(diǎn)位置都不是風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，因此可以證實(shí)在外界應(yīng)力作用下，如果焊點(diǎn)的強(qiáng)度相同，這些位置的焊點(diǎn)應(yīng)該不是首先失效的焊點(diǎn)。

　　基于這些BGA返修焊點(diǎn)斷裂引起的失效分析，可以證實(shí)失效位置處焊點(diǎn)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他位置的焊點(diǎn)強(qiáng)度;在DVT測(cè)試中，失效首先在 這些薄弱位置出現(xiàn)。

　　為什么這些焊點(diǎn)是強(qiáng)度薄弱點(diǎn)呢?這是由于這些焊點(diǎn)距離過(guò)孔較遠(yuǎn)，波峰焊時(shí)溫度較低未發(fā)生重熔;而周圍焊點(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(yīng)的影響，BGA器件及PCB產(chǎn)生局部變形并產(chǎn)生應(yīng)力，由于多數(shù)焊點(diǎn)重熔具備自由伸縮能力，因此所有應(yīng)力加載于個(gè)別未重熔焊點(diǎn)，導(dǎo)致該焊點(diǎn)出現(xiàn)裂紋萌生或開(kāi)焊;這些焊點(diǎn)在后續(xù)測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)早期失效。

　　通過(guò)以上對(duì)怎么判別BGA返修焊點(diǎn)斷裂的分析，相信大家都知道怎么去分析了，如果你對(duì)怎么判別BGA返修焊點(diǎn)斷裂的分析還不清楚，那您可以直接與網(wǎng)站客服聯(lián)系咨詢，謝謝!