無鉛焊料BGA疲勞失效性能-深圳福英達(dá)
無鉛焊料BGA疲勞失效性能-深圳福英達(dá)
焊點(diǎn)金屬的在受到應(yīng)力的作用下會逐漸疲勞并容易導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度的下降。在多數(shù)情況下研究疲勞性能的焊點(diǎn)尺寸較大。只有少數(shù)研究檢測了BGA焊點(diǎn)的疲勞屬性。一般來說焊盤表面處理和BGA金屬成分都會對BGA焊點(diǎn)的疲勞性能有不同程度的影響。市面上常見的焊盤表面處理方式有OSP，ENIG等。此外，SAC305類型的BGA焊料合金由于熔點(diǎn)適中，在封裝行業(yè)應(yīng)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(qiáng)作用。在與不同表面處理焊盤鍵合后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OSP和ENIG焊盤來進(jìn)行室溫焊點(diǎn)疲勞測試。由于SAC-Q和SAC-I強(qiáng)度較高，因此選擇了更高的應(yīng)力用于測試。PCB板在氮?dú)饣亓鳡t中回流，峰值溫度為245°C。特征壽命指的是失效概率達(dá)到63.2%所需的循環(huán)次數(shù)。
圖1. 焊料合金和BGA結(jié)構(gòu)。
實驗結(jié)果
從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，無論是何種焊料合金和表面處理，當(dāng)應(yīng)力水平越高，在每個循環(huán)中累積的損傷越多，疲勞壽命會越短。SAC-Q和SAC-I在具有相同OSP表面處理情況下比SAC305和SAC-R表現(xiàn)更好，因為在更高的應(yīng)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(guān)于ENIG表面處理，SAC-Q、SAC305和SAC-R在幾乎所有應(yīng)力水平下的疲勞壽命都沒有顯著差異。此外，SAC305焊點(diǎn)在OSP上表面優(yōu)于ENIG，尤其是在較高應(yīng)力水平下，這意味著OSP能使焊點(diǎn)和銅焊盤之間的連接更加牢固。
圖2. 不同焊料在應(yīng)力測試中的疲勞壽命。
在疲勞試驗過程中，較高的應(yīng)變水平會導(dǎo)致更多的循環(huán)損傷，從而縮短疲勞壽命。在低應(yīng)變和高應(yīng)變水平下， 這些SAC305焊點(diǎn)在OSP表面處理上的疲勞性能均優(yōu)于ENIG。總體來看SAC-R在應(yīng)力測試下的疲勞性能與SAC305比較接近。然而，具有ENIG表面處理的含Bi SAC焊點(diǎn)對脆性問題非常敏感，容易導(dǎo)致疲勞壽命縮短。此外，ENIG的Ni層阻礙了Cu的擴(kuò)散，導(dǎo)致IMC層變薄。過薄的IMC層反而會削弱焊點(diǎn)可靠性。
圖3. 不同焊料合金在應(yīng)變測試中的疲勞壽命。
SAC305焊點(diǎn)中Ag3Sn相的形態(tài)和分布也影響其可靠性。具有更精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)和較低縱橫比的Ag3Sn沉淀物表現(xiàn)出更穩(wěn)健的機(jī)械特性。SAC-R沒有Ag成分但包含2.46wt%的Bi。在SAC-R焊點(diǎn)中添加Bi可以彌補(bǔ)Ag3Sn沉淀物的缺失，使其機(jī)械和疲勞特性更接近SAC305。不過由于Bi含量超過了室溫下Bi在Sn基體中的溶解度極限，即2.3wt%，少量的Bi分離形成Bi沉淀物。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(tài). (a)SAC305; （b)SAC-R;（c)SAC-Q; (d) SAC-I。
參考文獻(xiàn)
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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