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逐漸疲勞并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。只有少數研究檢測了BGA焊點的疲勞屬性。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焊料合金由于熔點適中，在封裝行業應用非常普遍。
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焊盤來進行室溫焊點疲勞測試。由于SAC-Q和SAC-I強度較高，因此選擇了更高的應力用于測試。PCB板在氮氣回流爐中回流，峰值溫度為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
從圖2中可以發現，無論是何種焊料合金和表面處理，當應力水平越高，在每個循環中累積的損傷越多，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表現更好，因為在更高的應力下（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。關于ENIG表面處理，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上表面優于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，較高的應變水平會導致更多的循環損傷，從而縮短疲勞壽命。在低應變和高應變水平下， 這些SAC305焊點在OSP表面處理上的疲勞性能均優于ENIG。總體來看SAC-R在應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沉淀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沉淀物的缺失，使其機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. (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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