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机械冲击引起BGA脆断

编辑:亿品优    来源:本站    发布时间:2021-12-11 19:30    浏览量:
       BGA封装中越来越多地使用无铅焊料,该BGA封装广泛用于便携式设备中,使它们在遭受机械冲击时,容易在焊球到焊盘界面的脆性断裂失效。焊球和封装基板键合焊盘之间的界面处的脆性断裂被认为是不可接受的。 
 
       原则上,这种焊点可靠性以板级跌落测试为特征,但是这种测试有几个缺点。每次跌落测试都会消耗数个封装和数百个焊点,从而产生可观的费用。另外,除非有高速实时数据采集系统可用于监视,否则焊点的裂缝在撞击后可能会闭合,导致无法检测到的故障。最后,数据分析很耗时,增加了可观的费用。因此,必须找到在机械冲击载荷条件下评估焊点完整性的替代方法。1个 将高速焊接测试与使用无铅焊球和各种封装基板表面光洁度的BGA封装的板级跌落测试进行比较,表明前者可能是可行的选择。
 
       使用多种BGA封装结构进行了研究,该结构使用焊料合金,表面光洁度,基材材料,焊球尺寸和封装尺寸的各种组合。测试的典型器件为316 PBGA(27 mm×27 mm)结构,使用Sn 4.0%/ Ag 0.5%/ Cu(SAC 405)焊球,并采用不同的基板表面光洁度制成,包括化学镀镍沉金(ENIG)和有机可焊性防腐剂(OSP)。
 
       316 PBGA样品使用标准的0.76毫米直径球体。封装基板由厚度为0.36毫米的BT层压板组成。阻焊垫由阻焊层限定,开口的直径为0.635毫米。将焊球在热风对流回流炉中以150°C±2°C的预热无铅焊接曲线连接到基板上,峰值回流温度为260°C。
 
       将样品分成几组,在125°C(0至500小时)下进行热老化,以促进在封装基板/焊点界面处形成金属间化合物(IMC)。高速滚珠剪切测试的范围从10 mm / s到3,000 mm / s,高速滚珠拉伸测试的范围从5 mm / s到500 mm / s。使用了先进的高速键合测试机,配备了控制和分析App以及下一代力传感器,它们能够在球剪切和球拉力测试中评估焊球的断裂能。
 
 
       跌落试验后的脆性断裂表面(Sn4.0%Ag0.5Cu + OSP,老化500小时)。(1a)焊点的脆性断裂面。(1b)(a)的匹配垫的脆性断裂表面。(1c)在(a)中由矩形指示的位置的特写视图(1d)在(b)中由矩形指示的位置的特写视图
 
 
       研究的第二部分涉及板级跌落测试,记录电阻,电路板应变和夹具加速度的记录。进行了详细的分析,以识别失效的焊点和相应的失效模式。焊球剪切和拉拔试验的失效模式和加载速度与机械跌落试验进行了对照,以进行比较。同样,在焊球剪切和拉力测试期间记录的能量吸取值被认为是说明焊点失效模式的有效指标。
 
       为了加速IMC的生长而进行的热老化是在125°C的烤箱中进行的,持续时间为100、300和500小时。热老化后,将一些带有焊球的PBGA样品成型,横截面和蚀刻,然后通过扫描电子显微镜(SEM)进行检查和分析。将类似的BGA样品组装在测试板上,并使用双轨导向装置将其掉落。如上所述,一些板级测试样品也经历了热老化。所有样品都装有菊花链,并接受实时数据采集监控。
 
       在剪切和拉力测试样品的脆性断裂失效的两个互补表面上进行的详细SEM分析表明,其与板级跌落测试以及高速剪切和拉力测试期间生成的相似。此外,在发生脆性断裂的各种粘结测试参数与通过板级跌落测试观察到的跌落失败次数之间具有很强的相关性。2
 
       从横截面和断裂表面的比较可以看出,跌落试验的脆性断裂界面与高速球剪切试验和拉力试验显示出惊人的相似性。结果表明,在高速粘结测试中获得的脆性断裂是板级跌落测试行为的有力指标。当前工作的一个显着特征是努力,它导致将高速键合测试和板级跌落测试的脆性故障的物理特性直接进行比较。3
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跌落测试
       进行了板级跌落测试的测试板均采用非焊料掩模定义(NSMD)和焊料掩模定义(SMD)焊盘几何形状制造。在这两种情况下,浸有焊料的焊盘直径均为0.684 mm。尽管NSMD在实际生产的电路板上更为典型,但SMD的优势在于其相关性研究,即在封装侧更容易发生板级跌落测试断裂位置。这很重要,因为焊料球的剪切/拉力测试只能评估封装侧的断裂,因为该元件未连接至PCB。经受跌落测试的焊点表面脆性断裂的外观 
 
       测试板组件从跌落到跌落的跌落测试结果的简短摘要(每个数据点8个组件)表明,与具有ENIG涂层的OSP封装基板表面涂层相比,OSP封装衬底表面涂层的热老化会使其降解更快。
 
高速粘结测试
       SMT贴片加工:ENIG表面光洁度试样的脆性断裂失败通常是在IMC和Ni层之间引起的。对于经过两次回流的无时效OSP试样,在Cu 6 Sn 5 IMC和Cu层之间发现了脆性断裂破坏。热老化后OSP试样的脆性断裂破坏发生在Cu 6 Sn 5和Cu 3 Sn IMC相之间。进行高速剪切和拉力测试的焊点表面出现脆性断裂,如图2和


       先前对高速焊球剪切和拉力测试的评估已经观察到脆性断裂,其外观与在板级跌落测试组件中观察到的脆性断裂模式相似,但是几乎没有确定的横截面证据。这部分是由于此类研究的困难,无论是在获取单个剪切或拉动的球并将其与相应的垫块匹配方面,还是在随后的横截面工作方面。
 
直接相关
       除了观察到的微观结构相关性外,还观察到了用于高速粘合测试和板级跌落测试的测试参数之间的强相关性。与焊球剪切/拉力和跌落测试结果相关的数学关联非常复杂。尽管如此,图4以图形方式总结了一种创新的方法。这些图将剪切和拉动焊锡球测试的脆性断裂百分比与本研究中使用的特定封装和跌落测试条件的跌落至失败相关联。简而言之,通过绘制每个时间点的落差值与剪切或拉力测试的等效数据作图,然后进行幂律曲线拟合,即可得出该图。每条曲线对应一个焊球剪切或拉力测试速度。
 

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