BGA焊點多次熱循環斷裂示意與分析

BGA的誕生是為了迎合提升集成電路芯片的I/O接口的數量需求，已經在高密度封裝大批量運用。和傳統微電子封裝技術相比較，BGA是采用合金焊料球替代引腳來實現信號傳輸，大大降低了電信號的傳輸損耗。不過高密度的集成也會帶來更高的使用溫度，對BGA的高溫老化可靠性增添了挑戰。在高溫作用下，焊點內部將持續產生熱應力，導致疲勞累積，最后可能造成焊點斷裂。

BGA焊點熱循環測試

眾所周知IMC的誕生是無鉛錫膏焊接無法避免的。由于IMC在老化過程的生長是決定焊點可靠性的關鍵因素，因此需要知道熱疲勞過程中的焊點微觀結構變化，進而推算出IMC對BGA焊點可靠的影響。

在剛完成焊接時焊點結構精細。在600次熱循環后，Pb進一步擴散到了BGA中，并且Pb晶粒開始粗化。此外，在完成1200次熱循環后，在BGA-芯片一側和BGA-PCB一側都可以清楚地看到由Pb晶粒進一步粗化并積聚形成網絡結構。

在熱循環3200次后，BGA-芯片一側大致分為了Ni區，IMC（Cu,Ni)6Sn5區，Sn區。可以觀察到Sn區出現了晶粒粗化和再結晶現象。(Cu,Ni)6Sn5區則是出現了一定程度的位錯。另外，在BGA-PCB一側可以看到AC區和BC區的界面出現了較長的裂紋，并沿著的晶界向外擴展，形成穿晶裂紋。這為焊點連接處斷裂的出現帶來隱患。還可以看到有空洞的形成。在空洞和裂紋的共同作用下，該區域受到應力時將更容易出現斷裂。此外，BGA-PCB一側的D區會有晶粒錯位。

焊點斷裂分析

無鉛焊料BGA焊點，焊料層和焊盤等材料的熱膨脹系數不匹配是焊點熱老化失效的主要誘因。當元器件使用過程中產生熱應力，原材料的膨脹促使焊點內部和表層出現應力并逐步積累。Sn晶粒再結晶和(Cu,Ni)6Sn5的位錯能釋放部分應力。(Cu,Ni)6Sn5傾向擴散到芯片焊盤的Ni層并形成網格結構，也可以釋放應力。可以知道的是Ni層起到抑制原子擴散的作用，減緩IMC生長，從而減緩斷裂失效速度。而BGA-PCB界面處沒有Ni層的阻隔，Cu6Sn5生長速度更快，在應力作用下會出現穿晶裂痕。