文档介绍：Sn-Ag-Cu 细间距无铅BGA的焊接行为和焊点微观结构研究
作者:王波高雷刘建勇摩托罗拉(中国)电子有限公司
摘要:Sn-Ag-Cu 无铅焊料已经成为电子组装量产所选用的主要合金之一。然而,其焊点相对较差的可靠性(例如跌落试验后出现的严重的焊点界面开裂和大空洞导致的失效)仍是许多生产商所面临的巨大挑战,特别是在细间距(≤)的情况下。因此,非常有必要去理解实际焊接中细间距无铅BGA的焊接行为和微观组织状态,从而为设计/工艺提供指导。在这里,我们探讨了分别用Sn,OSP和电镀Ni/Au作为基体的Sn-Ag-Cu BGA在不同回流条件下的焊点空洞/晶粒/金属间化合物的变化趋势,并讨论了可能的机理。此外,作为可靠性试验的一部分,我们也总结了冲击试验下焊点的典型失效模式。基于这些实验结果,文章也建议了预防性的解决方案。
简介
Sn-Ag-Cu合金由于拥有较低的熔点,较好的可焊性和优良的固态热机械性能而成为首选焊膏材料。因此,Sn-Ag-Cu系统已经被很多无铅焊料和元器件供应商所采用,并通过了一些国际知名电子厂商的认证。
但是,随着欧盟RoHS指令期限的临近,在经历了“向前"和“向后”兼容的过渡阶段后,我们必须取得迈向完全无铅焊接的实质性进展并很快实现量产。然而,除了对设备、元器件兼容性方面的考虑,焊点可靠性较差的问题已经成为业界所必须面对的新的巨大挑战,而且这一点对BGA元器件来说尤为突出。
严重的焊点界面开裂和大空洞是许多生产厂都已经或正在遇到问题。因此,很有必要去理解实际焊接中细间距无铅BGA的焊接行为和微观组织状态,更深入地理解失效模式,从而为设计/工艺提供一些可行性的建议。实际上,近些年来对Sn-Ag-Cu焊点的微观研究工作已有很多,但是绝大部分工作都基于实验室阶段,因而和实际的焊接过程存在一定的距离。其中,探讨回流曲线和回流次数对微观组织影响的研究也就更少。
同时,业界高密度封装和体积小型化的发展趋势也导致了细间距BGA 元器件的发展。间距要等于或小于 , 。很明显,这会带来无铅焊接之外的另一巨大挑战。
在这里,我们探讨了分别用Sn,OSP和电镀Ni/Au作为基体的Sn-Ag-Cu BGA 在原料阶段和不同回流条件下的焊点空洞/晶粒/金属间化合物的变化趋势,并讨论了可能的机理。
试验
材料
用于试验的BGA样品是来自同一供应商的432球链状 PBGA,,,PCB板为SMD型OSP 涂层的测试板。对于其中一些PCB板,尽量避免了通孔设计,从而能和带有通孔的PCB板进行焊点的比较。.
实验设计
三种基体的BGA在无氮气保护的回流炉中实现焊接,峰值温度为235℃. 分别采用了两种回流曲线(线型和台阶型)以及不同的回流次数(1次和2次)。两种曲线的主要区别在于预热阶段的不同:对于台阶型曲线,采用了大约160秒的保温时间。同时,我们也做了150℃/36小时的时效试验,来调查时效处理对焊点微观结构的影响。
结果与讨论
焊点形状及空洞
对所有三种不同基体的BGA, 焊点都较为正常。大的空洞基本都出现在有通孔的焊点中,最大直径可达160微米。由