無鉛焊料BGA疲勞失效性能-深圳福英達
無鉛焊料BGA疲勞失效性能-深圳福英達
焊點金屬的在受到應力的作用下會(hui) 逐漸疲勞並容易導致焊點強度的下降。在多數情況下研究疲勞性能的焊點尺寸較大。隻有少數研究檢測了BGA焊點的疲勞屬性。一般來說焊盤表麵處理和BGA金屬成分都會(hui) 對BGA焊點的疲勞性能有不同程度的影響。市麵上常見的焊盤表麵處理方式有OSP，ENIG等。此外，SAC305類型的BGA焊料合金由於(yu) 熔點適中，在封裝行業(ye) 應用非常普遍。
通過在SAC305焊料中添加一些微量元素可以對焊料起到增強作用。在與(yu) 不同表麵處理焊盤鍵合後往往能形成更好的疲勞性能。Wei等人選擇了不同BGA金屬合金與(yu) OSP和ENIG焊盤來進行室溫焊點疲勞測試。由於(yu) SAC-Q和SAC-I強度較高，因此選擇了更高的應力用於(yu) 測試。PCB板在氮氣回流爐中回流，峰值溫度為(wei) 245°C。特征壽命指的是失效概率達到63.2%所需的循環次數。
圖1. 焊料合金和BGA結構。
實驗結果
從(cong) 圖2中可以發現，無論是何種焊料合金和表麵處理，當應力水平越高，在每個(ge) 循環中累積的損傷(shang) 越多，疲勞壽命會(hui) 越短。SAC-Q和SAC-I在具有相同OSP表麵處理情況下比SAC305和SAC-R表現更好，因為(wei) 在更高的應力下（36MPa）仍能保持一定程度的疲勞壽命。在40MPa情況下，SAC305-I的疲勞壽命最長。關(guan) 於(yu) ENIG表麵處理，SAC-Q、SAC305和SAC-R在幾乎所有應力水平下的疲勞壽命都沒有顯著差異。此外，SAC305焊點在OSP上表麵優(you) 於(yu) ENIG，尤其是在較高應力水平下，這意味著OSP能使焊點和銅焊盤之間的連接更加牢固。
圖2. 不同焊料在應力測試中的疲勞壽命。
在疲勞試驗過程中，較高的應變水平會(hui) 導致更多的循環損傷(shang) ，從(cong) 而縮短疲勞壽命。在低應變和高應變水平下， 這些SAC305焊點在OSP表麵處理上的疲勞性能均優(you) 於(yu) ENIG。總體(ti) 來看SAC-R在應力測試下的疲勞性能與(yu) SAC305比較接近。然而，具有ENIG表麵處理的含Bi SAC焊點對脆性問題非常敏感，容易導致疲勞壽命縮短。此外，ENIG的Ni層阻礙了Cu的擴散，導致IMC層變薄。過薄的IMC層反而會(hui) 削弱焊點可靠性。
圖3. 不同焊料合金在應變測試中的疲勞壽命。
SAC305焊點中Ag3Sn相的形態和分布也影響其可靠性。具有更精細微觀結構和較低縱橫比的Ag3Sn沉澱物表現出更穩健的機械特性。SAC-R沒有Ag成分但包含2.46wt%的Bi。在SAC-R焊點中添加Bi可以彌補Ag3Sn沉澱物的缺失，使其機械和疲勞特性更接近SAC305。不過由於(yu) Bi含量超過了室溫下Bi在Sn基體(ti) 中的溶解度極限，即2.3wt%，少量的Bi分離形成Bi沉澱物。雖然SAC-I的Bi比SAC-Q少，但它含有更多的Ag和Cu。在SAC-I中添加Sb和Ni也提高了它的可靠性。
圖4. 不同焊料合金的微觀形態. (a)SAC305; （b)SAC-R;（c)SAC-Q; (d) SAC-I。
參考文獻
Wei, X., Hamasha, S., Alahmer, A., Belhadi, M.E.A. & Vyas, P.P. (2023). Fatigue performance and microstructure of lead-free solder joints in BGA assembly at room temperature. Microelectronics Reliability.
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