无铅BGA焊点脆性测试方法与设备研究

摘要

目前，消费类电子产品的微型化和便携化已经成为电子制造行业的一个流行趋势，但由此而来的焊点跌落失效问题也越来越明显。此外，出于环境保护目的，无铅焊料的采用同样带来了新的焊点可靠性问题。工业界普遍采用主板级跌落试验来检测和评价焊点的抗冲击性能，但由于受到实验条件和成本的限制而迫切需要一种可替代的试验方法。剪切、拉拔、剥落和弯曲试验等常常被用来检测微型焊点的焊接可靠性。其中，高速剪切冲击被认为是最经济和有效的试验方法。 本文首先对跌落和剪切冲击条件下焊点结构响应做了数值模拟，通过分析比较初步建立了两者的基本联系。然后用自行研制的焊点高速冲击设备，在剪切速率恒定为1.8m/s的条件下，对Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn-2.5Ag-0.5Cu 两种无铅焊点的作了剪切冲击试验，分析评价了不同回流加热因子和回流次数对焊点抗冲击性能的影响。最后，对焊点的断裂表面和界面金属间化合物层的微观形貌进行了统计和比较。 数值模拟的结果表明，焊点跌落失效行为与主板结构息息相关，焊点受力的振动周期约为1ms，大于焊点在2m/s 下剪切冲击的断裂失效时间。剪切冲击模拟得到了三种不同类型的剪切失效模式，失效的时间随着IMC 强度的增大而增加。 剪切试验结果表明，传统的静态剪切试验不能评价焊点的界面连接强度。而动态冲击条件下，焊点主要发生三种类型的失效模式，即焊盘剥落失效，界面脆性断裂失效和焊料体内的韧性失效。加热因子和回流次数对焊点的抗冲击性能都有显著的影响，而两种焊料对于工艺过程的响应有所不同。 研究还表明，金属间化合物层的结构和形貌随着加热因子和回流次数的变化而变化。界面微观结构以及形貌的改变使焊点表现出截然不同的抗冲击可靠性。