機(jī)械沖擊引起B(yǎng)GA脆斷
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?cè)谠馐軝C(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(jí)跌落測(cè)試為特征，但是這種測(cè)試有幾個(gè)缺點(diǎn)。每次跌落測(cè)試都會(huì)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(huì)閉合，導(dǎo)致無法檢測(cè)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(píng)估焊點(diǎn)完整性的替代方法。1個(gè) 將高速焊接測(cè)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(jí)跌落測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)試的范圍從10 mm / s到3,000 mm / s，高速滾珠拉伸測(cè)試的范圍從5 mm / s到500 mm / s。使用了先進(jìn)的高速鍵合測(cè)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(cè)試中評(píng)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(jí)跌落測(cè)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(shí)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(duì)照，以進(jìn)行比較。同樣，在焊球剪切和拉力測(cè)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(cè)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(jí)測(cè)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(cè)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(jí)跌落測(cè)試以及高速剪切和拉力測(cè)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(cè)試參數(shù)與通過板級(jí)跌落測(cè)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(cè)試中獲得的脆性斷裂是板級(jí)跌落測(cè)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(cè)試和板級(jí)跌落測(cè)試的脆性故障的物理特性直接進(jìn)行比較。3
跌落測(cè)試
進(jìn)行了板級(jí)跌落測(cè)試的測(cè)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(shì)在于其相關(guān)性研究，即在封裝側(cè)更容易發(fā)生板級(jí)跌落測(cè)試斷裂位置。這很重要，因?yàn)楹噶锨虻募羟?/font>/拉力測(cè)試只能評(píng)估封裝側(cè)的斷裂，因?yàn)樵撛催B接至PCB。經(jīng)受跌落測(cè)試的焊點(diǎn)表面脆性斷裂的外觀
測(cè)試板組件從跌落到跌落的跌落測(cè)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(huì)使其降解更快。
高速粘結(jié)測(cè)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(duì)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(cè)試的焊點(diǎn)表面出現(xiàn)脆性斷裂，如圖2和
先前對(duì)高速焊球剪切和拉力測(cè)試的評(píng)估已經(jīng)觀察到脆性斷裂，其外觀與在板級(jí)跌落測(cè)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(cè)試和板級(jí)跌落測(cè)試的測(cè)試參數(shù)之間的強(qiáng)相關(guān)性。與焊球剪切/拉力和跌落測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)應(yīng)一個(gè)焊球剪切或拉力測(cè)試速度。
