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怎么判別BGA返修焊點斷裂的分析

  隨著BGA芯片被運用得越來越多,而且BGA封裝是一種高效率,功能齊全的封裝方式。出于對成本的考慮很多中低檔的電子產品中仍然廣泛的采用了回流焊和波峰焊雙面混裝的工藝路線。但是這種工藝的處理方式很容易造成焊點斷裂,那么我們應該怎么判別BGA返修焊點斷裂呢,接下來由崴泰BGA返修臺廠家小編給大家介紹一下:

  在我們的對BGA返修焊點斷裂進行研究的時候發現Top面的BGA封裝經歷了波 峰焊工藝之后,在可靠性測試中出現了較多的早期失效, 通過采用故障定位、無損分析、切片分析以及微觀分析的多種分析手段,對各種可能的失效機理進行了研究,得出了產生BGA返修焊點斷裂的根本原因。我之前也簡單提到過BGA焊點斷開的原因如果大家有興趣可以了解一下《BGA焊接時焊點斷開是什么原因引起的》。

 BGA返修焊點斷裂原因

  BGA返修焊點斷裂之無損分析

  崴泰科技采用了BGA封裝(基板表面處理為NiAu鍍層, PCB表面處理為HASL,焊球和焊料均為SnPb共晶合金)。 在Top面回流焊接,而Bottom面采用波峰焊接的工藝路 線,組裝完成后功能測試 正常。但是在隨后進行的 DVT測試中,發現BGA封裝 的CPU芯片在溫度循環測試 中出現了早期失效,功能時 斷時續,通過按壓的方式能 暫時恢復功能。采用IV曲線 和TDR的測試,故障可以被 定位到該BGA附近,初步判斷為BGA的焊點附近出現了開路失效。

  進一步的采用Ersa Scope以及3D X-ray對該BGA進行觀察分析,沒有發現BGA焊點和PTH的明顯異常。需要采用有損的方式對該失效進行進一步的分析。

  BGA返修焊點斷裂之染色起拔和斷口分析

  BGA返修焊點斷裂之染色起拔和斷口分析

  對該BGA器件進行染色起拔試驗,發現大多數焊點從焊盤與PCB基材之間出現分離(圖3);但是故障網絡上的焊點出現平整的脆性斷口,且整個斷口被紅色染色劑染 色,證實該位置的焊點在起拔之前已經完全分離,分離界面為封裝基板側和焊點之間。同時,在該BGA器件中,還有另外的幾個焊點呈現相似的脆性斷口形貌。染色 劑的分布顯示,部分焊點在起拔試驗之前出現了全部或者部分的斷裂,也有部分焊點為起拔試驗過程中出現的脆性斷裂。

  基于以上的試驗可以證實,該功能失效是由于BGA器件部分焊點在測試過程中出現了焊點界面的脆性斷裂所導致,因此有必要對脆性斷口的界面進行進一步的分析。采用SEM對脆性斷口分析,顯示脆性斷裂界面形貌為沙石狀的基底上分布著離散的三棱狀狀結構,采用EDX進行成份分析表明:沙石狀主要為Ni、Sn元素,也發現了微量的Cu元素;而三棱柱狀的主要為Ni、Sn、Cu元素。

  BGA返修焊點脆性斷裂界面形貌為沙石狀的基底上分布著離散的三棱狀狀結構

  對BGA返修其他焊點采用5% HNO3溶液將SnPb焊料去除后觀察界面,結果在器件的封裝基板側均發現了在沙 石狀的基底IMC上著鑲 嵌有粗大的棱狀物,除前述的三棱柱狀外,還包括實心和空心的六棱柱狀結構,經EDX分析都可以被確認為Ni-Sn- C u 三元I M C。

  這些結構與Jeong Won Yoon[1]等人觀察到的現象一致;中空六棱柱狀Ni-Sn-Cu IMC與 Kim[2]報道的SAC焊點內 部發現的Cu6Sn5結構類似;而D.Z.Li[3]的研究采用EBSD(背 散射電子衍射)獲得了Ni-Sn-Cu的衍射花樣,證實了其晶體結構與Cu6Sn5一致。

 BGA返修焊接斷裂對比圖分析

  基于以上的研究和本研究的結果可以得出:

  1、在焊點結構中同時出現Ni、Cu元素時,將導致Ni- Sn-Cu三元合金的出現,這是一種普遍現象;

  2、熱力學分析表明[4]:穩態條件下,即可能形成三元IMC Ni26Cu29Sn45(固定成分);由于焊接過程的瞬時 熱沖擊和局部的熱效應作用,導致焊接條件下形成的三元IMC首先表面為非穩態結構;

  3、由于Cu的擴散能力較之Ni強,因此在靠近Ni界面的 IMC中容易發現Ni-Sn-Cu的三元合金;Ni(NiCu)3Sn4與 (CuNi)6Sn5幾乎同時生成,前者比較連續,而后者不連續;它們分別由Cu或者Ni元素在Ni3Sn4與Cu6Sn5結構中 固溶而成;

  4、六棱柱是Ni-Sn-Cu的穩定結構,接近Cu6Sn5的晶 體結構,其實心、空心的狀態取決于個體。IMC形核后首先 形成中空六棱柱結構,此后若趨向于縱向生長,則保持中 空;若橫向生長,則變為實心。實際觀察到長而直的IMC往 往是中空結構,而短的IMC往往是實心,為這一說法提供了 佐證;

  5、三棱柱結構的形成以及沙石狀(NiCu)3Sn4的結構形態分析還沒有明確的結論;

  6、業界對Ni-Sn-Cu對焊點可靠性的影響有較多的研究[6-10]。Qalcomm、Solectron、Siemense、UIC均發現三 元IMC引起的脆性斷裂,主要原因是Ni-Sn-Cu與Ni-Sn之間結合不良,而Solectron還認為會導致重熔時縮錫;也有 Jeong-Won Yoon等認為不存在可靠性風險,Philips甚至發現Cu-Ni-Sn的形成可以改善金脆。但是在本研究中,并不能證實該三元合金是造成焊點早期失效的唯一因素。

  BGA返修焊點斷裂之金相切片分析

  BGA返修焊點斷裂之金相切片分析

  斷口分析的結果顯示Ni-Sn-Cu的三元合金并不是本次 失效的根本原因,因此繼續對失效樣本進行切片分析。

  在本BGA返修焊點斷裂分析研究中,觀察功能測試懷疑失效的焊點,可以發現這些焊點的組織基本正常,焊點和BGA封裝基板出現斷裂現象,但是焊點和PCB側焊盤連接 正常,靠近PCB側焊盤的組織出現輕微的粗化現象。采用SEM對切片進行觀察,可以證實前期斷口分析和染色起拔試驗的結果,分離界面為IMC和SnPb焊點之間。

  對切片進行分析, 還可以發現另外的兩類組織結 構圖片,一類主要位于器件 四周,或者距離孔十分近的 位置且用大焊盤連接;這些 焊點顯示出從BGA封裝基板 處向PCB側的晶粒生長方向 性,初步判斷在波峰焊過程 中出現了重熔現象, 由于波峰焊接時熱量從底部向上傳導,因此器件側溫度低 于PCB側,焊點重熔之后冷卻結晶時,晶粒首先在靠近器件側的位置萌生。

  BGA返修焊點斷裂分析焊點重熔

  另外一類焊點組織形貌出現了明顯的局部重熔的形狀,可以在靠近PCB側焊盤位置的附近發現晶粒組織細小,而其上部靠近封裝基板側的晶粒組織粗大,兩種組織將焊點清晰地分為兩個部分。這種形貌的焊點占到了整個器件焊點的50%以上,而且沒有發現任何的 焊點開裂或者裂紋萌生的現象。

  這是由于波峰焊屬于瞬時的熱傳遞過程,在波峰焊過 程中,過孔的熱傳導作用比較明顯。在完成波峰焊之前, 過孔傳遞的熱量不足以融化整個焊點,因此出現了靠近 PCB焊盤的下側焊點達到SnPb焊點的熔點183°C而重熔, 晶粒組織細化;上側焊點僅僅受到熱的作用發生組織粗 化;出現了典型的混合形貌特征。

  BGA返修焊點斷裂之第三類焊點分布比較離散,較多的PCB焊盤附近都有 孔出現。

  對失效焊點進行進一步的分析,可以發現這些焊點都通過長走線和過孔相連,走線長度遠遠大于其他與過孔相連的焊點。從設計文件上可以看出,這些焊點的PCB側焊盤都通過長走線與過孔相連,將電信號傳向內層。由于過孔距離較遠,這些焊點接受過孔傳遞的熱量較少,溫度相對較低;焊點沒有出現重熔現象,即使是靠近PCB側的焊點組織粗化現象也十分輕微。而且數據分析表明,走線距離越長的焊點失效概率越高。

  BGA返修焊點斷裂之第三類焊點分布比較離散,較多的PCB焊盤附近都有 孔出現。

  綜合以上現象可以針對BGA返修焊點斷裂的問題得出以下結論:

  1、切片顯示焊點斷裂為過應力失效模式,分離界面為IMC和焊點之間;

  2、在波峰焊條件下,Top面的BGA焊點組織形貌與其設計強相關,其位置以及與過孔之間連線的長度等都是影響其組織形貌的關鍵因素;

  3、根據設計影響因素和實際波峰焊焊接條件,本研究 中出現了焊點完全重熔、部分重熔部分粗化的混合模式以 及輕微粗化三種形貌特征,多數焊點呈現出混合模式特征; 4、失效焊點距離走線距離最長,溫度最低,沒有重熔現象。

  采用F E M 對該封裝結構進行簡單的分析可以發現,無論是由于PCB變形導致焊點受到的機械完全應力,還是由于CTE失配導致的循環疲勞應力條件下,失效焊點位置都不是風險點,因此可以證實在外界應力作用下,如果焊點的強度相同,這些位置的焊點應該不是首先失效的焊點。

  基于這些BGA返修焊點斷裂引起的失效分析,可以證實失效位置處焊點的強度遠遠低于其他位置的焊點強度;在DVT測試中,失效首先在 這些薄弱位置出現。

  為什么這些焊點是強度薄弱點呢?這是由于這些焊點距離過孔較遠,波峰焊時溫度較低未發生重熔;而周圍焊點發生全部或者局部重熔;而波峰焊過程中,由于熱沖擊和局部熱效應的影響,BGA器件及PCB產生局部變形并產生應力,由于多數焊點重熔具備自由伸縮能力,因此所有應力加載于個別未重熔焊點,導致該焊點出現裂紋萌生或開焊;這些焊點在后續測試過程中出現早期失效。

  通過以上對怎么判別BGA返修焊點斷裂的分析,相信大家都知道怎么去分析了,如果你對怎么判別BGA返修焊點斷裂的分析還不清楚,那您可以直接與網站客服聯系咨詢,謝謝!

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