電路板球腳焊點(diǎn)的可靠度

時(shí)間：2015-09-25作者：深圳市隆暢鑫射頻電路有限公司瀏覽：179

一、局部熱脹系數(shù)之差異

? ?由于晶片本身的CTE只有3ppm/℃，而**載板卻接近15 ?ppm/℃ ，于是當(dāng)封裝與組裝中遭受到強(qiáng)大熱力，以及元件后續(xù)工作中內(nèi)部放熱等情形，均將造成很大拉伸應(yīng)力，進(jìn)而在累積應(yīng)變之下，經(jīng)常造成頸部開裂之?dāng)囝^情形。不過在採用銀膠做為安晶的步驟中，若能加厚其銀膠者也可減緩一些局部CTE-mismatch的難題。由于腹底*區(qū)不易得到足夠的熱量而難以焊牢之下，使得設(shè)計(jì)者只敢將重要的訊號球置于腹底之外圍，內(nèi)部只能安排一些無關(guān)緊要的接地球與散熱球而已。

? ?二、球腳高度

? ?焊后球腳之高度愈高者其可靠度也較好，通常63/37的焊后球高約400-640μm，但Sn/Pb90者則可增高至760-890μm。 一般而言，各種高溫過程都會(huì)使球高變扁；例如某球原高750μm，載板植著后之高度降為625μm，PCB組裝后較會(huì)降到500μm。球腳愈扁者其可靠度愈差。右表即為63/37球高與球距以及墊徑三者之關(guān)系。原球高度經(jīng)熔焊后通常會(huì)矮化10% ，有散熱片者較將會(huì)失高250%。

? ?圖1、此二圖說明球高過度變矮之不良現(xiàn)象

? ?三、焊墊形狀與表面處理的影響

? ?BGA之**部載板植球處多次受熱后，可能會(huì)因剪力而造成介面之開裂，因而其球墊須特別採用風(fēng)險(xiǎn)較少之"綠漆設(shè)限"式設(shè)計(jì)。但此種限制銲料擴(kuò)展的銲點(diǎn)，在無法盡興散錫下，將成為應(yīng)力集中的危險(xiǎn)區(qū)域，其可靠度將大受威脅。

? ?在相同站立高度之情形下，若將SMD改變NSMD時(shí)，則銲錫在擴(kuò)張地盤中會(huì)往銅墊之側(cè)壁流下，形成有如倒鉤般的強(qiáng)力結(jié)合。在高度不致過度變矮但卻可儘情發(fā)揮的PCB銲點(diǎn)，其后續(xù)的疲勞壽命將比載板銲點(diǎn)較可延長1.25-3倍之多。

? ?圖2、左二圖說明應(yīng)NSMD與SMD之不同設(shè)計(jì)及其殘馀應(yīng)力所造成鎳面銲點(diǎn)的開裂情形。右顯示SMD焊點(diǎn)受損之微現(xiàn)。

? ?墊面ENIG處理層，由于會(huì)發(fā)生黑墊的麻煩，故不適于做為BGA的焊接用途。形成黑墊的主因是金水攻擊較為老弱的化鎳表面，以致置換過程中鎳層來不及溶走，卻被快速沉積的金層所包圍，而在內(nèi)部繼續(xù)氧化劣化而成為NixOy式的黑墊。

? ?圖3、左圖說明載板腹底SMD墊面植球與綠漆受損等不良，右圖為編者所補(bǔ)充之植球介面，由于多量助焊劑滲入以及綠漆與金面附著力不足之雙重折磨，致使綠漆底下已有銲錫潛入，造成可靠度劣化之現(xiàn)象。

? ?圖4、此圖說明**大空洞的球腳，將無法通過可靠度的測右為編者所補(bǔ)充無鉛球腳與鍚膏，因SAC鍚膏吸水造成巨大空洞彼此推擠而在相鄰球腳間形成短路之情形。

? ?再者PCB板面之BGA球墊區(qū)域內(nèi)或附近區(qū)域，較好不要設(shè)置PTH，以防錫膏熔焊中會(huì)往孔內(nèi)流錫。至于具有墊內(nèi)盲孔者則較容易引發(fā)焊點(diǎn)中的空洞，目前由于盲孔內(nèi)空氣所造成的額外空洞在前文中認(rèn)為，此種額外空洞的允收可以另談。事實(shí)上根本無法分清楚何者是錫膏**物與水氣或由盲孔造成之空洞。業(yè)界正在努力設(shè)法利用電鍍銅方式將之塡平，目前口徑2mil以下的盲孔已有成效，但5mil以上較大盲孔的塡平還很困難。

? ?四、球腳鮮點(diǎn)之失效分析

? ?(1)溫度循環(huán)：

? ?刻意使板面焊妥的BGA或CSP，通過各種高低溫之多次熱循環(huán)折磨，或熱震靈后，其焊點(diǎn)經(jīng)常自載板處發(fā)生斷頭，卻較少發(fā)生PCB處之?dāng)嗄_。此乃出自剪力模式之失效。

? ?圖5、此為組裝板經(jīng)溫度循環(huán)老化后，從滲紅試驗(yàn)與微切片檢查所見到銲點(diǎn)開裂的情形

? ?(2)彎折試驗(yàn)：

? ?當(dāng)銲妥BGA或CSP之PCB板面，通過機(jī)械強(qiáng)迫性之彎折試驗(yàn)后，不但會(huì)出現(xiàn)斷頭而且也會(huì)發(fā)生斷腳，其中尤以四個(gè)角落區(qū)域原本即已累積應(yīng)力者，或板長方向所外列的球腳，也都很容易發(fā)生斷頭或斷腳。若以PCB板面之貼裝位置而言，此項(xiàng)試驗(yàn)以板*容易彎折區(qū)較易失效。

? ?圖6、此為彎折試驗(yàn)后 ，從滲紅試驗(yàn)與微切片檢查所見到焊點(diǎn) 開裂的情形

? ?(3)掉落試驗(yàn)：

? ?當(dāng)焊妥BGA或CSP手執(zhí)電子品之組裝板進(jìn)行掉落試驗(yàn)時(shí)，其四角區(qū)也較容易斷腳與斷頭。上述彎折試驗(yàn)與此處之掉落試驗(yàn)兩者之失效機(jī)制，理論上均應(yīng)屬于撕起式模式。

? ?圖7、此為掉落試驗(yàn)后，從與微切片檢查所見到焊點(diǎn)開裂的情形

? ?為了減少各類手執(zhí)電子品中BGA/CSP的球腳銲點(diǎn)開裂起見，美商Amkor曾于此等面積格列式元件四個(gè)角落的兩側(cè)，以沾膠的方式加強(qiáng)與板面之間的額外接著工程，特稱為Corner Fill以代替昂貴覆晶封裝的Under Fill做法。

? ?圖8、此四圖均為美商Amkor公司對手機(jī)板常用各種CSP，建議改善其焊接后機(jī)械強(qiáng)度之"加角膠"做法。


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