无铅焊料BGA疲劳失效性能-深圳福英达
无铅焊料BGA疲劳失效性能-深圳福英达
焊点金属的在受到应力的作用下会逐渐疲劳并容易导致焊点强度的下降。在多数情况下研究疲劳性能的焊点尺寸较大。只有少数研究检测了BGA焊点的疲劳属性。一般来说焊盘表面处理和BGA金属成分都会对BGA焊点的疲劳性能有不同程度的影响。市面上常见的焊盘表面处理方式有OSP，ENIG等。此外，SAC305类型的BGA焊料合金由于熔点适中，在封装行业应用非常普遍。
通过在SAC305焊料中添加一些微量元素可以对焊料起到增强作用。在与不同表面处理焊盘键合后往往能形成更好的疲劳性能。Wei等人选择了不同BGA金属合金与OSP和ENIG焊盘来进行室温焊点疲劳测试。由于SAC-Q和SAC-I强度较高，因此选择了更高的应力用于测试。PCB板在氮气回流炉中回流，峰值温度为245°C。特征寿命指的是失效概率达到63.2%所需的循环次数。
图1. 焊料合金和BGA结构。
实验结果
从图2中可以发现，无论是何种焊料合金和表面处理，当应力水平越高，在每个循环中累积的损伤越多，疲劳寿命会越短。SAC-Q和SAC-I在具有相同OSP表面处理情况下比SAC305和SAC-R表现更好，因为在更高的应力下（36MPa）仍能保持一定程度的疲劳寿命。在40MPa情况下，SAC305-I的疲劳寿命最长。关于ENIG表面处理，SAC-Q、SAC305和SAC-R在几乎所有应力水平下的疲劳寿命都没有显著差异。此外，SAC305焊点在OSP上表面优于ENIG，尤其是在较高应力水平下，这意味着OSP能使焊点和铜焊盘之间的连接更加牢固。
图2. 不同焊料在应力测试中的疲劳寿命。
在疲劳试验过程中，较高的应变水平会导致更多的循环损伤，从而缩短疲劳寿命。在低应变和高应变水平下， 这些SAC305焊点在OSP表面处理上的疲劳性能均优于ENIG。总体来看SAC-R在应力测试下的疲劳性能与SAC305比较接近。然而，具有ENIG表面处理的含Bi SAC焊点对脆性问题非常敏感，容易导致疲劳寿命缩短。此外，ENIG的Ni层阻碍了Cu的扩散，导致IMC层变薄。过薄的IMC层反而会削弱焊点可靠性。
图3. 不同焊料合金在应变测试中的疲劳寿命。
SAC305焊点中Ag3Sn相的形态和分布也影响其可靠性。具有更精细微观结构和较低纵横比的Ag3Sn沉淀物表现出更稳健的机械特性。SAC-R没有Ag成分但包含2.46wt%的Bi。在SAC-R焊点中添加Bi可以弥补Ag3Sn沉淀物的缺失，使其机械和疲劳特性更接近SAC305。不过由于Bi含量超过了室温下Bi在Sn基体中的溶解度极限，即2.3wt%，少量的Bi分离形成Bi沉淀物。虽然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。
图4. 不同焊料合金的微观形态. (a)SAC305; （b)SAC-R;（c)SAC-Q; (d) SAC-I。
参考文献
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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