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bga焊点断裂,怎么判别

时间:2013-05-16 09:05:10 来源:鼎华科技 点击: 4138次

BGA封装由于其效率、功能等方面的优势已经广泛 应用于各种电子产品;而在中低档的电子产品中, 由于考虑到设计成本的因素,仍然广泛的采用了回 流焊和波峰焊双面混装的工艺路线。由于波峰焊工艺带来 的对PCBA组件的瞬时温度冲击以及局部热应力问题,给 BGA的应用带来了一定的质量和可靠性问题,研究和分析 其可能存在的失效机理,对于提升产品寿命、减少市场失效有着十分重要的意义。

在本文研究的案例中,发现Top面的BGA封装经历了波 峰焊工艺之后,在可靠性测试中出现了较多的早期失效, 通过采用故障定位、无损分析、切片分析以及微观分析的 多种分析手段,对各种可能的失效机理进行了研究,得出 了产生该失效的根本原因。

无损分析
某设计采用了BGA封装(基板表面处理为NiAu镀层, PCB表面处理为HASL,焊球和焊料均为SnPb共晶合金)。 在Top面回流焊接,而Bottom面采用波峰焊接的工艺路 线,组装完成后功能测试 正常。但是在随后进行的 DVT测试中,发现BGA封装 的CPU芯片在温度循环测试 中出现了早期失效,功能时 断时续,通过按压的方式能 暂时恢复功能。采用IV曲线 和TDR的测试,故障可以被 定位到该BGA附近,初步 判断为BGA的焊点附近出现了开路失效。

进一步的采用Ersa Scope以及3D X-ray对该BGA进行 观察分析,如同图2所示,没有发现BGA焊点和PTH的明显 异常。需要采用有损的方式对该失效进行进一步的分析。

染色起拔和断口分析
对该BGA器件进行染色起拔试验,发现大多数焊点从 焊盘与PCB基材之间出现分离(图3);但是故障网络上 的焊点出现平整的脆性断口,且整个断口被红色染色剂染 色,证实该位置的焊点在起拔之前已经完全分离,分离界 面为封装基板侧和焊点之间。同时,在该BGA器件中,还 有另外的几个焊点呈现相似的脆性断口形貌(图4)。染色 剂的分布显示,部分焊点在起拔试验之前出现了全部或者 部分的断裂,也有部分焊点为起拔试验过程中出现的脆性 断裂。

基于以上的试验可以证实,该功能失效是由于BGA器 件部分焊点在测试过程中出现了焊点界面的脆性断裂所导 致,因此有必要对脆性断口的界面进行进一步的分析。 采用SEM对脆性断口分析,显示脆性断裂界面形貌为 沙石状的基底上分布着离散的三棱状状结构,采用EDX进行 成份分析表明:沙石状主要为Ni、Sn元素,也发现了微量 的Cu元素;而三棱柱状的主要为Ni、Sn、Cu元素。

对该BGA上其他焊点采用5% HNO3溶液将SnPb焊料 去除后观察界面,结果在器件的封装基板侧均发现了在沙 石状的基底IMC上着镶 嵌有粗大的棱状物,除 前述的三棱柱状外,还 包括实心和空心的六棱 柱状结构,经EDX分析 都可以被确认为Ni-Sn- C u 三元I M C ( 图6 和图7)。

这些结构与Jeong Won Yoon[1]等人观察到 的现象一致;中空六棱 柱状Ni-Sn-Cu IMC与 Kim[2]报道的SAC焊点内 部发现的Cu6Sn5结构类似;而D.Z.Li[3]的研究采用EBSD(背 散射电子衍射)获得了Ni-Sn-Cu的衍射花样,证实了其晶体 结构与Cu6Sn5一致。

基于以上的研究和本研究的结果可以得出:

1、在焊点结构中同时出现Ni、Cu元素时,将导致Ni- Sn-Cu三元合金的出现,这是一种普遍现象;

2、热力学分析表明[4]:稳态条件下,即可能形成三元 IMC Ni26Cu29Sn45(固定成分);由于焊接过程的瞬时 热冲击和局部的热效应作用,导致焊接条件下形成的三元 IMC首先表面为非稳态结构;

3、由于Cu的扩散能力较之Ni强,因此在靠近Ni界面的 IMC中容易发现Ni-Sn-Cu的三元合金;Ni(NiCu)3Sn4与 (CuNi)6Sn5几乎同时生成[5],前者比较连续,而后者不 连续;它们分别由Cu或者Ni元素在Ni3Sn4与Cu6Sn5结构中 固溶而成;

4、六棱柱是Ni-Sn-Cu的稳定结构,接近Cu6Sn5的晶 体结构,其实心、空心的状态取决于个体。IMC形核后首先 形成中空六棱柱结构,此后若趋向于纵向生长,则保持中 空;若横向生长,则变为实心。实际观察到长而直的IMC往 往是中空结构,而短的IMC往往是实心,为这一说法提供了 佐证;

5、三棱柱结构的形成以及沙石状(NiCu)3Sn4的结 构形态分析还没有明确的结论;

6、业界对Ni-Sn-Cu对焊点可靠性的影响有较多的研 究[6-10]。Qalcomm、Solectron、Siemense、UIC均发现三 元IMC引起的脆性断裂,主要原因是Ni-Sn-Cu与Ni-Sn之 间结合不良,而Solectron还认为会导致重熔时缩锡;也有 Jeong-Won Yoon等认为不存在可靠性风险,Philips甚至发 现Cu-Ni-Sn的形成可以改善金脆。但是在本研究中,并不能证实该三元合金是造成焊点早期失效的唯一因素。

金相切片分析
断口分析的结果显示Ni-Sn-Cu的三元合金并不是本次 失效的根本原因,因此继续对失效样本进行切片分析。

在本失效分析研究中,观察功能测试怀疑失效的焊 点,可以发现这些焊点的组织基本正常(图8),焊点和 BGA封装基板出现断裂现象,但是焊点和PCB侧焊盘连接 正常,靠近PCB侧焊盘的组织出现轻微的粗化现象。采用 SEM对切片进行观察,可以证实前期断口分析和染色起拔 试验的结果,分离界面为IMC和SnPb焊点之间。

对切片进行分析, 还 可以发现另外的两类组织结 构图片,一类主要位于器件 四周,或者距离孔十分近的 位置且用大焊盘连接;这些 焊点显示出从BGA封装基板 处向PCB侧的晶粒生长方向 性,初步判断在波峰焊过程 中出现了重熔现象(图9), 由于波峰焊接时热量从底部向上传导,因此器件侧温度低 于PCB侧,焊点重熔之后冷却结晶时,晶粒首先在靠近器件 侧的位置萌生。

另外一类焊点组织形貌出现了明显的局部重熔的形 貌,如图10所示,可以在靠近PCB侧焊盘位置的附近发 现晶粒组织细小,而其上部靠近封装基板侧的晶粒组织粗 大,两种组织将焊点清晰地分为两个部分。这种形貌的焊点占到了整个器件焊点的50%以上,而且没有发现任何的 焊点开裂或者裂纹萌生的现象。

这是由于波峰焊属于瞬时的热传递过程,在波峰焊过 程中,过孔的热传导作用比较明显。在完成波峰焊之前, 过孔传递的热量不足以融化整个焊点,因此出现了靠近 PCB焊盘的下侧焊点达到SnPb焊点的熔点183°C而重熔, 晶粒组织细化;上侧焊点仅仅受到热的作用发生组织粗 化;出现了典型的混合形貌特征。

第三类焊点分布比较离散,较多的PCB焊盘附近都有 孔出现。

对失效焊点进行进一步的分析,可以发现这些焊点都 通过长走线和过孔相连,走线长度远远大于其他与过孔相 连的焊点。从设计文件上可以看出(图11),这些焊点的 PCB侧焊盘都通过长走线与过孔相连,将电信号传向内层。 由于过孔距离较远,这些焊点接受过孔传递的热量较少, 温度相对较低;焊点没有出现重熔现象,即使是靠近PCB侧 的焊点组织粗化现象也十分轻微。而且数据分析表明,走线距离越长的焊点失效概率越高。

结论
综合以上现象可以获得以下结论:

1、切片显示焊点断裂为过应力失效模式,分离界面为IMC和焊点之间;

2、在波峰焊条件下,Top面的BGA焊点组织形貌与其 设计强相关,其位置以及与过孔之间连线的长度等都是影 响其组织形貌的关键因素;

3、根据设计影响因素和实际波峰焊焊接条件,本研究 中出现了焊点完全重熔、部分重熔部分粗化的混合模式以 及轻微粗化三种形貌特征,多数焊点呈现出混合模式特征; 4、失效焊点距离走线距离最长,温度最低,没有重熔 现象。

采用F E M 对该封 装结构进行简单的分析 可以发现,无论是由于 PCB变形导致焊点受到 的机械完全应力,还是 由于CTE失配导致的循 环疲劳应力条件下,失 效焊点位置都不是风险 点(图12),因此可以 证实在外界应力作用下,如果焊点的强度相同,这些位置 的焊点应该不是首先失效的焊点。

基于这些分析,可以证实失效位置处焊点的强度远 远低于其他位置的焊点强度;在DVT测试中,失效首先在 这些薄弱位置出现。为什么这些焊点是强度薄弱点呢?这 是由于这些焊点距离过孔较远,波峰焊时温度较低未发生 重熔;而周围焊点发生全部或者局部重熔;而波峰焊过程 中,由于热冲击和局部热效应的影响,BGA器件及PCB产 生局部变形并产生应力,由于多数焊点重熔具备自由伸缩 能力,因此所有应力加载于个别未重熔焊点,导致该焊点 出现裂纹萌生或开焊;这些焊点在后续测试过程中出现早 期失效。

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