bga焊点断裂，怎么判别

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。

文章来源：鼎华科技BGA返修台第一品牌

好。我需要这个

转贴？软文？