機(jī)械衝擊引(yǐn)起(qǐ)BGA脆斷(duàn)
BGA封裝(zhuāng)中越來越(yuè)多地(dì)使用(yòng)無(wú)鉛焊(hàn)料，該BGA封(fēng)裝廣(guǎng)泛(fàn)用於便攜(xié)式(shì)設(shè)備中，使(shǐ)它(tā)們在遭受(shòu)機械衝(chōng)擊(jī)時，容(róng)易在(zài)焊球到(dào)焊盤(pán)界麵的脆性斷裂(liè)失效(xiào)。焊球(qiú)和封(fēng)裝基(jī)板(bǎn)鍵(jiàn)合(hé)焊盤(pán)之間的界(jiè)麵處(chǔ)的脆(cuì)性(xìng)斷(duàn)裂被(bèi)認(rèn)為是不可(kě)接受的(dí)。
原則(zé)上(shàng)，這(zhè)種(zhǒng)焊點(diǎn)可靠(kào)性以(yǐ)板(bǎn)級(jí)跌落測(cè)試為(wéi)特(tè)征，但(dàn)是這種(zhǒng)測試有幾個缺(quē)點。每次(cì)跌落測(cè)試(shì)都會消(xiāo)耗數個(gè)封裝(zhuāng)和數(shù)百個焊(hàn)點，從(cóng)而(ér)產(chǎn)生可(kě)觀(guān)的費用(yòng)。另(lìng)外，除(chú)非(fēi)有(yǒu)高(gāo)速實時(shí)數據采集係統(tǒng)可(kě)用於(yú)監(jiān)視(shì)，否(fǒu)則焊點(diǎn)的(dí)裂縫在(zài)撞(zhuàng)擊後(hòu)可能(néng)會閉(bì)合(hé)，導致無(wú)法檢(jiǎn)測到(dào)的故障(zhàng)。最(zuì)後，數據分(fēn)析(xī)很耗時(shí)，增(zēng)加了(liǎo)可(kě)觀的(dí)費(fèi)用(yòng)。因(yīn)此(cǐ)，必須(xū)找到(dào)在機械(xiè)衝(chōng)擊載荷條(tiáo)件(jiàn)下(xià)評估(gū)焊點(diǎn)完整(zhěng)性(xìng)的(dí)替代方(fāng)法(fǎ)。1個(gè) 將高(gāo)速(sù)焊接(jiē)測(cè)試(shì)與使用無鉛(qiān)焊球和各種封裝(zhuāng)基板表麵光(guāng)潔度的BGA封裝(zhuāng)的板級(jí)跌落(là)測(cè)試進行比較，表明前者可(kě)能是可(kě)行的(dí)選擇。
使(shǐ)用多種(zhǒng)BGA封(fēng)裝(zhuāng)結(jié)構(gòu)進行(háng)了(liǎo)研究(jiū)，該(gāi)結構使用焊料合金(jīn)，表麵光潔度(dù)，基材材料，焊球尺寸和(hé)封(fēng)裝尺寸(cùn)的(dí)各種組合。測試的(dí)典型器(qì)件為(wéi)316 PBGA（27 mm×27 mm）結構(gòu)，使用(yòng)Sn 4.0％/ Ag 0.5％/ Cu（SAC 405）焊球，並(bìng)采用不同的基板(bǎn)表(biǎo)麵光(guāng)潔度製成，包括(kuò)化學鍍鎳(niè)沉金(jīn)（ENIG）和(hé)有(yǒu)機(jī)可焊性防腐(fǔ)劑（OSP）。
316 PBGA樣品使用(yòng)標(biāo)準的0.76毫米直(zhí)徑球(qiú)體。封裝基板(bǎn)由厚度為0.36毫米(mǐ)的BT層壓板組(zǔ)成(chéng)。阻焊(hàn)墊(diàn)由阻焊層限定，開口的(dí)直(zhí)徑(jìng)為0.635毫(háo)米(mǐ)。將焊球在熱(rè)風對流回(huí)流(liú)爐中以150°C±2°C的預熱無(wú)鉛(qiān)焊接曲綫連(lián)接到(dào)基板上，峰值(zhí)回流溫度為(wéi)260°C。
將(jiāng)樣(yàng)品分成幾組，在(zài)125°C（0至(zhì)500小(xiǎo)時）下(xià)進行(háng)熱(rè)老(lǎo)化，以(yǐ)促(cù)進在封裝基板(bǎn)/焊(hàn)點界(jiè)麵處(chǔ)形(xíng)成金屬間化(huà)合物(wù)（IMC）。高速(sù)滾珠剪切測試(shì)的範圍(wéi)從(cóng)10 mm / s到(dào)3,000 mm / s，高速滾(gǔn)珠(zhū)拉伸測(cè)試(shì)的(dí)範圍從5 mm / s到500 mm / s。使(shǐ)用了先進的高速鍵(jiàn)合測試(shì)機，配(pèi)備(bèi)了控製(zhì)和分(fēn)析軟件以及下一(yī)代力(lì)傳感(gǎn)器(qì)，它(tā)們能(néng)夠在球(qiú)剪切和球(qiú)拉(lā)力測試中評估焊(hàn)球(qiú)的斷(duàn)裂(liè)能。
跌(diē)落(là)試驗後的脆(cuì)性斷裂表麵（Sn4.0％Ag0.5Cu + OSP，老(lǎo)化(huà)500小時）。（1a）焊(hàn)點(diǎn)的脆(cuì)性斷裂麵(miàn)。（1b）（a）的(dí)匹(pǐ)配(pèi)墊的脆(cuì)性斷裂(liè)表麵(miàn)。（1c）在（a）中(zhōng)由矩形指示(shì)的位置的(dí)特(tè)寫視(shì)圖(tú)（1d）在(zài)（b）中由矩(jǔ)形指示的位置的特(tè)寫視圖
研(yán)究(jiū)的(dí)第二部分涉及(jí)板級跌(diē)落測試(shì)，記錄電(diàn)阻，電(diàn)路板(bǎn)應變和(hé)夾具加(jiā)速度的(dí)記(jì)錄。進(jìn)行了(liǎo)詳細的分析，以(yǐ)識別(bié)失效(xiào)的焊(hàn)點(diǎn)和相(xiāng)應的失效模(mó)式。焊球(qiú)剪(jiǎn)切(qiē)和拉拔試驗的(dí)失效模(mó)式(shì)和(hé)加載速(sù)度與(yǔ)機(jī)械(xiè)跌(diē)落試驗進行了對照(zhào)，以(yǐ)進(jìn)行(háng)比(bǐ)較。同(tóng)樣，在焊球(qiú)剪(jiǎn)切和(hé)拉(lā)力測試期間記(jì)錄(lù)的(dí)能量吸收值被(bèi)認(rèn)為是(shì)解釋焊點失效模式(shì)的有(yǒu)效(xiào)指標。
為了加速IMC的生長而進(jìn)行的熱老化是在125°C的(dí)烤箱中(zhōng)進(jìn)行(háng)的(dí)，持續時(shí)間為(wéi)100，300和500小(xiǎo)時(shí)。熱(rè)老化(huà)後(hòu)，將(jiāng)一些帶有(yǒu)焊(hàn)球的PBGA樣(yàng)品成型(xíng)，橫截(jié)麵和蝕(shí)刻(kè)，然後通過掃描電子顯微(wēi)鏡（SEM）進(jìn)行檢(jiǎn)查(chá)和(hé)分析(xī)。將(jiāng)類(lèi)似的(dí)BGA樣品(pǐn)組(zǔ)裝在(zài)測(cè)試(shì)板上(shàng)，並使(shǐ)用雙軌導向(xiàng)裝(zhuāng)置(zhì)將其掉(diào)落(là)。如上(shàng)所述(shù)，一些板級(jí)測試樣品(pǐn)也(yě)經歷(lì)了(liǎo)熱老化。所(suǒ)有樣(yàng)品(pǐn)都(dū)裝有菊花鏈(liàn)，並(bìng)接受(shòu)實時(shí)數據采集監控(kòng)。
在剪(jiǎn)切和拉力測(cè)試(shì)樣(yàng)品的脆(cuì)性斷裂失(shī)效(xiào)的兩(liǎng)個(gè)互補表麵上(shàng)進(jìn)行(háng)的詳(xiáng)細SEM分析(xī)表明，其(qí)與板(bǎn)級(jí)跌(diē)落(là)測試(shì)以(yǐ)及高速剪(jiǎn)切和拉力測(cè)試(shì)期間生(shēng)成的相似(sì)。此外，在(zài)發(fā)生(shēng)脆(cuì)性斷裂(liè)的(dí)各種粘結測試(shì)參數(shù)與(yǔ)通(tōng)過板級(jí)跌落測試(shì)觀察到(dào)的跌(diē)落(là)失敗次數(shù)之(zhī)間具有很強的相(xiāng)關性(xìng)。2
從橫(héng)截(jié)麵(miàn)和斷裂表麵(miàn)的(dí)比較(jiào)可(kě)以(yǐ)看出，跌(diē)落(là)試驗的(dí)脆性斷裂界(jiè)麵(miàn)與(yǔ)高(gāo)速球剪切試(shì)驗(yàn)和(hé)拉力(lì)試(shì)驗(yàn)顯示(shì)出驚人的(dí)相似性。結果表(biǎo)明，在(zài)高速粘(nián)結測(cè)試中(zhōng)獲得的脆性斷裂(liè)是板(bǎn)級跌(diē)落(là)測試(shì)行為(wéi)的(dí)有力(lì)指(zhǐ)標。當(dāng)前工(gōng)作的一個顯著特征(zhēng)是(shì)努力(lì)，它導(dǎo)致將高速(sù)鍵合測試和板級跌(diē)落測試的脆性(xìng)故(gù)障(zhàng)的(dí)物理特性直(zhí)接進(jìn)行比較。3
跌落(là)測試(shì)
進行了板級跌落測試(shì)的(dí)測試板(bǎn)均采(cǎi)用非(fēi)焊料掩模定義(yì)（NSMD）和焊(hàn)料掩模(mó)定義(yì)（SMD）焊盤幾(jī)何(hé)形狀(zhuàng)製(zhì)造(zào)。在這兩(liǎng)種(zhǒng)情況(kuàng)下，浸有(yǒu)焊(hàn)料的焊(hàn)盤(pán)直(zhí)徑(jìng)均為(wéi)0.684 mm。盡(jìn)管(guǎn)NSMD在實際(jì)生(shēng)產的電路板上更(gēng)為(wéi)典型，但SMD的(dí)優勢在(zài)於(yú)其相(xiāng)關性(xìng)研(yán)究，即在(zài)封裝側(cè)更容易發生板(bǎn)級跌(diē)落測(cè)試斷(duàn)裂(liè)位置(zhì)。這很(hěn)重(zhòng)要，因(yīn)為(wéi)焊(hàn)料球的剪切(qiē)/拉(lā)力測試隻能評估(gū)封(fēng)裝側的斷裂，因為(wéi)該(gāi)元(yuán)件未(wèi)連(lián)接至PCB。經(jīng)受跌落測試的焊點(diǎn)表麵脆性斷(duàn)裂的(dí)外觀
測(cè)試板(bǎn)組(zǔ)件(jiàn)從(cóng)跌落到跌落(là)的(dí)跌落(là)測試(shì)結果(guǒ)的簡(jiǎn)短(duǎn)摘要（每個數據點(diǎn)8個(gè)組件）表(biǎo)明(míng)，與(yǔ)具有ENIG塗層的OSP封(fēng)裝基板(bǎn)表麵塗(tú)層相比(bǐ)，OSP封(fēng)裝(zhuāng)襯底表(biǎo)麵(miàn)塗層的熱老(lǎo)化會使其降解更(gēng)快(kuài)。
高速粘結(jié)測(cè)試
深圳小銘打樣(yàng)SMT貼片(piàn)加(jiā)工：ENIG表麵(miàn)光潔(jié)度(dù)試樣(yàng)的脆(cuì)性斷裂失敗通常(cháng)是在(zài)IMC和Ni層之間引起的(dí)。對於(yú)經過兩次(cì)回流的(dí)無(wú)時效OSP試樣，在(zài)Cu 6 Sn 5 IMC和Cu層(céng)之(zhī)間(jiān)發現了脆性(xìng)斷(duàn)裂(liè)破(pò)壞。熱老(lǎo)化後OSP試(shì)樣的脆性(xìng)斷裂(liè)破壞發生在Cu 6 Sn 5和Cu 3 Sn IMC相(xiāng)之間(jiān)。進行高(gāo)速剪切(qiē)和(hé)拉(lā)力(lì)測試(shì)的焊點(diǎn)表麵出現脆(cuì)性斷裂，如(rú)圖2和
先(xiān)前對高速焊(hàn)球剪切(qiē)和(hé)拉力測(cè)試的(dí)評估已(yǐ)經觀(guān)察到(dào)脆性斷裂，其(qí)外(wài)觀與在(zài)板(bǎn)級跌落(là)測試組(zǔ)件(jiàn)中(zhōng)觀(guān)察(chá)到的脆性(xìng)斷(duàn)裂(liè)模(mó)式(shì)相似(sì)，但(dàn)是(shì)幾乎(hū)沒(méi)有(yǒu)確定的橫(héng)截麵證(zhèng)據(jù)。這部(bù)分(fēn)是由於此類研究(jiū)的(dí)困難(nán)，無(wú)論是(shì)在獲取單個(gè)剪切或(huò)拉(lā)動的(dí)球(qiú)並(bìng)將(jiāng)其(qí)與(yǔ)相(xiāng)應的(dí)墊塊(kuài)匹配(pèi)方麵，還是(shì)在(zài)隨(suí)後(hòu)的(dí)橫(héng)截麵工作方麵。
直(zhí)接(jiē)相(xiāng)關
除了(liǎo)觀察(chá)到(dào)的微(wēi)觀(guān)結構相(xiāng)關性(xìng)外，還觀察(chá)到(dào)了(liǎo)用於(yú)高速(sù)粘(nián)合(hé)測試(shì)和(hé)板級跌(diē)落(là)測試的(dí)測試參數(shù)之間的(dí)強(qiáng)相(xiāng)關性(xìng)。與(yǔ)焊(hàn)球剪切(qiē)/拉力和(hé)跌(diē)落(là)測(cè)試結(jié)果相關(guān)的數(shù)學(xué)關聯(lián)非常復雜(zá)。盡(jìn)管如(rú)此(cǐ)，圖4以圖(tú)形方(fāng)式總結(jié)了一種創(chuàng)新(xīn)的(dí)方(fāng)法。這(zhè)些(xiē)圖(tú)將剪(jiǎn)切和拉動焊錫(xī)球(qiú)測試(shì)的(dí)脆(cuì)性斷裂(liè)百(bǎi)分(fēn)比(bǐ)與本(běn)研(yán)究(jiū)中(zhōng)使用的特定封裝和跌落(là)測試(shì)條件的跌落(là)至失(shī)敗相關(guān)聯。簡而言(yán)之，通(tōng)過繪(huì)製每個(gè)時(shí)間(jiān)點的落差值與(yǔ)剪(jiǎn)切(qiē)或拉力測(cè)試的等效數據(jù)作(zuò)圖(tú)，然(rán)後(hòu)進(jìn)行(háng)冪(mì)律曲綫擬(nǐ)合(hé)，即(jí)可得出(chū)該(gāi)圖(tú)。每條曲綫對應(yīng)一個(gè)焊球(qiú)剪切或拉(lā)力測試速度。