機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力下的BGA焊點(diǎn)可靠性

BGA（球柵陣列封裝）是一種常見(jiàn)的集成電路封裝技術(shù)，它具有接觸面積大、信號(hào)傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)。然而，BGA焊點(diǎn)位于器件底部，不易檢測(cè)和維修，而且由于BGA功能高度集成，焊點(diǎn)容易受到機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響，導(dǎo)致開(kāi)裂或脫落，從而影響電路的正常工作。本文將分析應(yīng)力作用下BGA焊點(diǎn)開(kāi)裂的原因，并提出相應(yīng)的控制方法。

機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力是BGA焊點(diǎn)開(kāi)裂的主要因素

機(jī)械應(yīng)力是指物體受到外力而變形時(shí)，在其內(nèi)部各部分之間產(chǎn)生的相互作用力。BGA焊點(diǎn)在裝配和使用過(guò)程中，可能會(huì)受到來(lái)自不同方向的機(jī)械應(yīng)力，如振動(dòng)、沖擊、彎曲等。這些應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂。

熱應(yīng)力是指物體由于溫度變化而產(chǎn)生的脹縮變形，在外界或內(nèi)部約束的作用下，不能完全自由變形而產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。在高溫作用下，焊點(diǎn)內(nèi)部將持續(xù)產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致疲勞累積，造成焊點(diǎn)斷裂。

圖1. BGA焊點(diǎn)開(kāi)裂

IMC過(guò)厚會(huì)降低焊點(diǎn)可靠性

IMC是焊料與焊盤(pán)之間形成的一種金屬化合物，它對(duì)焊點(diǎn)的強(qiáng)度和可靠性有重要影響。在無(wú)鉛工藝條件下，由于焊接溫度比有鉛工藝更高，時(shí)間更長(zhǎng)，因而IMC的厚度相對(duì)更厚。再加上無(wú)鉛焊料本身比較硬，使得無(wú)鉛焊點(diǎn)比較容易因應(yīng)力而斷裂。

如果BGA原始的IMC特別厚，即超過(guò)10μm，那么，在再流焊接時(shí)，IMC很可能發(fā)展成寬的和不連續(xù)的塊狀I(lǐng)MC，如圖所示。這種IMC相對(duì)于正常IMC，其抗拉和抗剪強(qiáng)度會(huì)低 20%左右，在生產(chǎn)周轉(zhuǎn)和裝配過(guò)程中，容易因操作應(yīng)力而斷裂。

圖2. 塊狀I(lǐng)MC

BGA焊點(diǎn)開(kāi)裂的控制方法

1.嚴(yán)格管控焊接溫度和時(shí)間，避免IMC持續(xù)生長(zhǎng)。

2.采用低Ag+Ni無(wú)鉛焊料。Ag+Ni無(wú)鉛焊料具有優(yōu)良的抗機(jī)械振動(dòng)性能。 Ag是加速界面IMC生長(zhǎng)的元素，Ni對(duì)Cu3 Sn的生產(chǎn)具有抑制作用，低Ag+Ni可以有效阻止IMC生長(zhǎng)。

3.減輕部件重量、增加機(jī)構(gòu)件如散熱器的托架、增加產(chǎn)品工作時(shí)剛性避免劇烈振動(dòng)等，或變更生產(chǎn)工藝如使用膠黏劑加固等，以此提升焊點(diǎn)抵抗機(jī)械應(yīng)力的能力。