焊锡资料(7)-波峰焊点界面断裂机理

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1、焊锡资料（7）-波峰焊点界面断裂失效机理摘要：本文介绍了在波峰焊条件下出现的BGA焊点开焊现象，通过采用染色起拔、金相切片、SEM等分析发现为一种典型的界面断裂失效现象。非对称表面处理的焊点结果使得出现了NiSnCu的三元合金，失效分析针对集中典型失效机理展开，例如二次回流、三元合金等。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

2、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。1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

3、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ErsaScope以及3DX－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。 2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、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

5、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-Cu三元IMC(图6和图7）。   这些结构与JeongWonYoon[1]等人观察到的现象一致；中空六棱柱状Ni-Sn-CuIMC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

6、件下，即可能形成三元IMCNi26Cu29Sn45（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

7、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