BGA焊点的常见失效模式及机理

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一、界面失效
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' N& E: [3 X- C5 ~4 B1.界面失效的特征界面失效的特征是：焊点的电气接触不良或微裂纹发生在焊盘和钎料相接触的界面层上，如图1、图2所示。

2.界面失效机理（1）虚焊。（2）冷焊。（3）不合适的IMC层。
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8 J; f! ]. J  P二、钎料疲劳失效

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3 S7 }" m" K7 z( k9 M5 R" x" I1、钎料疲劳失效特征焊点钎料疲劳失效的特征是：微裂纹或断裂位置都是发生在钎料体的内部或IMC附近，按其发生的位置常见的有3种：① PCB焊盘侧钎料体疲劳裂纹，如图3。

② 钎料体的主裂纹发生在芯片侧，如图4所示。

③ PCB基板侧和芯片侧同时出现钎料体疲劳裂纹，如图5所示。

       焊点钎料疲劳失效是由于工作环境中存在着随机振动、正弦振动、载荷冲击、温度冲击与循环等的周期性循环外力作用的结果。这种环境条件是普遍存在的，特别是在航天、航空、航海、车载等电子产品中尤为明显。表面贴装器件，焊点承担了电气的、热学的及机械连接等多重作用，并且一直是可靠性的薄弱环节。焊点受损原因以热循环诱发最为常见，而徐变和应力松弛则是循环受损的主因，如图6所示。材料徐变一般在温度高于绝对熔化温度的0.6倍（Tk/Tkm＞0.6）时出现。

2.钎料疲劳失效机理焊点因热循环受损的常见原因如下：
/ G9 r/ c  l, O) t1 Q# H●器件与PCB间的整体CTE失配，诱发各种应力；
- s+ R! {8 _" n9 f0 S, ]3 `$ r●器件和PCB在厚度方向与表面区域出现温度梯度；
●附着于元器件与PCB之间的钎料局部CTE失配。


       减少元器件与PCB的CTE失配，即减少热循环受损情况。对带外部引脚的表面贴装元器件来说，柔性的引脚已使CTE失配问题有所缓解。而面阵列封装中球的刚性给可靠性带来了不利的影响。实验表明BGA的故障不是出现在球与封装之间，就是出现在球与PCB焊盘之间。与界面失效相反，所有这些失效的焊点主要是由于钎料疲劳引发的。
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' O* g0 f: H3 g! x2 h) V4 S三、张力载荷引起蠕变断裂

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; a+ z/ S# h& Z) x1.张力载荷引起蠕变断裂的特征张力载荷引起蠕变断裂的特征是：裂缝或断裂面通常都发生在截面面积比较小、抗拉强度最脆弱的横断面上，有的甚至还发生在焊盘铜箔与PCB基材之间，如图7所示。

2.张力载荷引起蠕变断裂机理对大多数便携式电子产品，如移动电话、呼机、PDA等，相对于环境温度的变化都不是非常严酷的，且其极限温度范围也较小，使用寿命也相对较短（3～5年）。因此，在此类产品中，焊点通常不会因热循环而失效，相反，PCB的弯曲将是失效的主要原因。


$ N1 l4 {: ]# Y& a四、弯曲试验常见的失效

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$ P$ J9 p2 d+ W3 V1.弯曲试验常见的失效特征:（1）失效模式①。在失效模式①中（见图7中①），PCB焊盘从层压板内部剥离，通常还有少量的环氧树脂保留在焊盘上。一旦焊盘被剥离，它就能够在PCB弯曲时自由地上下移动，从而引起PCB导线最终的疲劳断裂。进行染色-剥离失效分析后，失效模式①的照片如图8所示。在焊盘下的层压板中心有染色剂沾染，说明失效发生在焊点从PCB上剥离之前。该失效模式一般出现在最恶劣（最大形变）的弯曲测试条件下。

(2)失效模式②。该失效模式是因PCB的导线断裂（见图7中②）造成的。焊盘未从层压板内部剥离，印制线疲劳和裂缝出现在阻焊膜开孔区附近。这种失效模式使用染色-剥离技术是很难发现的。


- H# h8 b: l8 |: F& ?" ?（3）失效模式③。它是PCB焊盘附近的钎料疲劳失效（见图7中③）。可以确认的是：裂缝最初出现在PCB导线端头处焊盘的外边缘，这个连接区域是由阻焊膜界定的（在焊盘的侧壁周围没有钎料层）。经染色-剥离失效分析后的失效模式③如图9所示，其横截面如图10所示。若PCB上只有OSP涂层，则不存在界面失效。而对ENIG Au/Ni涂层的 PCB，在焊盘界面上有可能观察到界面失效。
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（4）失效模式④。该模式是在器件界面附近的钎料疲劳（见图7中④），如图11所示。在大多数情况下，当器件上的焊盘比PCB焊盘大时，则很少观察到这种失效模式。而当PCB焊盘尺寸比器件焊盘尺寸大时，则常见。

. t  j9 ?1 P) l3 `( B8 F2 t①和②发生在最高应力条件下，模式③和④发生在较低应力条件下。随着PCB导线尺寸的减小，模式②就更为普遍。另外，如果SMT加工后，PCBA被多次处理过，那么失效模式①和②也容易发生。
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+ A; V, ?" Q' f8 Z( Y# b  H2.弯曲试验失效机理PCB的局部弯曲可能引起蠕变断裂，蠕变断裂可能发生在产品工厂组装后的几天甚至几年之后。失效的形成原因是：
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! i2 j& o: a5 d4 U- ?. e1 V（1）安装结构缺陷。造成弯曲也许只是因为一个将PCB固定到机箱上的螺钉，由于张力载荷导致焊点钎料蠕变，在固定螺钉附近的元器件的焊点会逐渐失效并最终断裂。
0 k( J, a7 `! T（2）按键压力引起弯曲而导致焊点失效。PCB弯曲时焊点失效的发生是因为按键压力的作用，大多数产品都是将键盘区和PCB上的镀金部分相联系。每次，当一个键被压下时，PCB就将会发生变形，变形的幅度和在焊点上产生的应力，取决于产品的整体机械设计。在一个移动电话的寿命期内，由于按键导致的PCB弯曲的次数可能会达到几十万次。
0 D; Q1 m8 j& b8 }- l7 j（3）应力过大产生焊点疲劳失效。第三种弯曲失效机理发生在便携式产品掉到地上时，导致PCB剧烈振动，在元器件焊点上引起应力，严重时由于应力过大或焊点疲劳而产生失效。随着细间距球栅阵列封装（BGA）和芯片级封装（CSP）的普遍应用，PCB的弯曲成了便携式产品可靠性的关键因素。因此，人们不得不采用环氧树脂黏结剂，对上述封装器件进行底部填充来提高可靠性，抑制焊点失效。

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焊点的电气接触不良或微裂纹发生在焊盘和钎料相接触的界面层上

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BGA焊点失效

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虚焊、冷焊、不合适的IMC层