关于我们 | 联系我们欢迎光临意盛波资讯网

您现在的位置:首页 > 文章详情

BGA双面再流焊开裂焊点裂纹特征和形成机理及控制



摘 要:

BGA焊点的开裂现象,有十几种之多,失效的机理不同,形成的裂纹形貌特征也不同。将介绍一种布局在PCB的底面、在PCBA第二次焊接后看到的开裂现象。

1 概述

随着PCBA组装密度的提高,双面表面贴装已经成为常规的设计,把BGA布局在PCB的底面(Bottom面)甚至双面镜像贴装都很常见,如图1所示。


但是,这种布局存在一定的风险。双面表面贴装PCBA,一般首先焊接PCB底面的元器件,然后再焊接顶面(Top面)的元器件。一方面,PCBA在过再流焊炉时,由于高温的软化与重力作用,PCBA的基板会发生向下的弯曲变形,这种变形会可能导致布局在PCB底面的BGA在再流前因热应力而开裂。另一方面,第二次SMT时,也可能因为印刷支撑不合适而开裂。不管那种应力,二次再流焊后看到的这种BGA焊点断裂现象,具有相同的裂纹形貌特征,因此,我们把它归于同类,称为BGA双面再流焊开裂。

2 案例

某PCBA为双面再流焊接工艺布局。生产时发现1/100的单板测试不通过,电路分析定位于底面的某一BGA,如图2所示。

由于失效焊点的位置已经知道,我们随机抽取了3个失效样板做切片分析。

1)1#样品,共出现2个焊点断裂,位于BGA下边左1、2点,如图3(a)所示。两个焊点的裂纹特征一样,裂纹都位于BGA侧焊盘与焊料界面处(IMC根部),且裂缝两端与焊盘拉开,如图3(b)所示。


2)2#样品,断裂点同1号样品,但裂纹位置不同于1号样品,裂纹出现在PCB基材内,如图4所示,属于典型的坑裂现象。因裂纹照片不是很清楚,笔者用线条做了标示。

3)3#样品,断裂点位置与裂纹特征同1号样品。

3 机理推测

此板失效的模式一样,3个失效样板,均为同一BGA焊点失效。

首先,我们分析一下失效样品的典型切片图(图5),我们可以看到两点:(1)裂纹位于BGA

焊盘与焊料球的界面,焊料球侧接近焊盘边缘处裂纹表面呈圆形(实际上是球形,切片图表现为圆形);(2)在圆形的表面上能够清晰地看到IMC的存在。


看到这种形貌的断裂焊点,如果不加思索,可能会认为这是BGA封装的问题,具体讲就是BGA载板焊盘部分润湿。这显然不合情理,假如BGA植球时,焊盘部分不润湿,焊球一定是偏位的,因为熔融焊料在表面张力作用下一定位于润湿区域的中心位置。那么,这种裂纹是怎样形成的?

根据裂纹形貌特征,我们可以推测到:

第一,BGA封装质量不存在问题。为什么?从图5中我们可以看到,断裂焊料球表面存在IMC,说明BGA植球时是好的,焊球与BGA焊盘间形成了良好的IMC。

第二,BGA第一次焊接良好。我们知道BGA焊接时,首先是焊膏熔化,接着BGA塌落、焊料与焊球融合,最后形成焊点。焊接过程中,在焊点凝固前,BGA焊球与BGA载板焊盘间因液态状态,任何力不会导致焊点开裂。凝固期间,仅有一种概率极小的断裂形式可能发生——收缩开裂,但是它有典型的形貌特征,断裂发生在BGA焊盘IMC外,如果发生这种开裂,我们在图5中就不会看到IMC出现在焊球表面。一旦焊点凝固,BGA的任何动态变形都不足以导致焊点开裂。因此,我们可以排除BGA首次焊接不良的疑点。

同理,也不可能发生在第二次过炉期间。

第三,此开裂也不会发生在第二次焊接后。焊接后,焊点的开裂只有应力导致的开裂,不管是塑性断裂还是脆性断裂,形成的裂纹都不可能有呈圆形的这种形貌。

第四,排除以上种种原因,这种断裂只能发生在第二次过炉前,且裂纹也符合这种推断。因为裂纹发生了变形,上下对不起来。

综上所述,双面再流焊接BGA焊点开裂的机理是:双面再流焊BGA焊点的开裂发生在第二次焊接前。发生断裂的BGA焊点裂纹表面,在第二次焊接过程中,受到高温气体的作用被严重氧化。在焊球熔融时由于缺乏助焊剂的作用而不能与断裂的焊盘融合,最终导致不良连接的形成,表现为BGA载板焊盘不润湿的假象。BGA双面再流焊开裂焊点的形成机理如图6所示。


回过头,我们再分析下样品2#,其焊点断裂形式为坑裂现象。这种焊点失效模式属于典型的应力断裂。

这再一次证明了BGA焊点受到了系统性的应力作用,才导致了同一BGA(实际上与位置有关)焊点的开裂现象。也证明对其形成机理的推测的正确性。

4 双面再流焊接BGA焊点开裂的防控

我们了解了双面再流焊接BGA焊点开裂的机理,就清楚了如何防控——确保二次焊接前BGA焊点不发生开裂或断裂现象。

通常情况下,对于双面PCBA,底面焊接后,不会遇到装配作业,几乎不存在应力的损伤机会。唯一可能导致BGA焊点开裂的就是二次焊接时印刷的支撑,特别是靠边的支撑。如果靠近传送边的顶针比较高就会对附近BGA产生很大的应力,有可能导致BGA焊点应力断裂。这种情况下,再流焊接后就必然导致本文所谓的双面再流焊开裂现象。

5 总结

本文重点不在阐述一种典型的失效案例,主要想说明,不同原因导致的焊点开裂裂纹有不同的形貌特征,我们可以根据焊点断裂的形貌特征,结合焊接的原理、装配的流程,推断焊点的失效机理。从而进一步找到失效的原因并在今后的工艺方法上加以优化与防控。

作者:

贾忠中(中兴通讯股份有限公司,广东 深圳 518057)