四、失效模式

主要存在以下3种失效模式：（1）图6所示的钎料与板面之间产生彻底的界面分离。这种失效产生在Ni-Sn化合层与Ni镀层之间。

图6 0.8mm SCSP封装所产生的整齐分离（SAC钎料球的BGA用Sn37Pb焊接）

（2）图7所示的这个失效位于焊点封装侧靠近金属化合物界面的地方，裂缝始于钎料，并向金属化合物界面延伸，或止于钎料但非常靠近金属化合物界面。

图7 0.5mmVFBGA封装界面所产生的钎料裂缝（无铅BGA钎料球用Sn37Pb焊接）

（3）过孔裂缝发生在早期失效单元中。早期失效的过孔裂缝由于镀覆不均匀所致。裂缝起于过孔底部，这里的镀覆较薄。图8显示了一个过孔裂缝的例子。

图8 0.8mm SCSP封装所产生的过孔缺陷（这个失效是在第500次循环读数时检测到的）

五、失效机理

1.黑色焊盘根据跌落试验早期失效结果分析，说明这些失效或者是由于过孔裂缝，或者是由于钎料与PCB之间彻底的界面分离所致。进一步考察钎料与PCB之间整齐的界面分离情况，最后发现，产生这种失效模式的单元都是ENIG Ni/Au板。这种早期失效在跌落试验中表现得比在温度循环试验中更突出。这种失效被确定为所谓的“黑焊盘”缺陷。在裂缝界面检测到磷含量较高，裂缝呈渣化，如图9所示。

图9 ENIG Ni/Au板上失效焊点的黑焊盘断面失效发生在Ni-Sn合金层与Ni层的界面之间

2钎料球钎料未完全熔合在温度循环试验中，大多数早期失效发生在峰值温度为208℃，183℃以上持续时间为60～90s，斜坡式曲线的工艺条件下。这类失效在 ENIG Ni/Au板上表现得更突出。断面分析表明，焊点在BGA的SAC钎料球（SAC405）与Sn37Pb钎料之间没有完全熔合，如图10所示。

图10 不完全熔合

3.阻焊膜错位在连接界面，Sn37Pb钎料内的Pb产生晶界扩散。在表面处理采用OSP的情况下，对于温度循环试验和跌落试验观察到的早期失效，Pb的偏析似乎不是主要原因。图11所示是一个0.5mm间距的VFBGA封装经过8次跌落试验后得出的失效断面图。BGA钎料球组分是SAC，用Sn37Pb焊膏连接，峰值温度为208℃，183℃以上的滞留时间是60～90s，采用斜坡式曲线，板面涂层为OSP。失效位于PCB侧的Cu-Sn合金层。在焊盘和钎料两侧，都检测到了Cu6Sn5。在温度循环试验中，早期失效发生在封装侧。多半可能是由于阻焊膜定位问题和钎料球偏离有关。

图11

阻焊膜错位，0.5mm间距的VFBGA封装OSP板，8次落体试验失效4.焊膏印刷量偏少0.5mm间距VFBGA封装的组件失效率高于0.8mm SCSP封装的组件。可能的原因是VFBGA组件的焊膏印刷量较少（4mil厚的模板），以及快速而低温的再流曲线，使得钎料自对位的时间和力度有限。ENIG Ni/Au板上的失效，是焊点与板面之间产生整齐的分离。不过在250℃峰值再流的ENIG Ni/Au板上完全无铅的焊点，以及Sn37Pb钎料球的BGA用SAC焊膏焊接的焊点，早期失效率却很低。

六、结论

此项研究考察了常规SMT组装成品率。（1）0.5mm间距的VFBGA和0.8mm间距的SCSP的无铅封装，在Intel推荐的再流曲线用Sn37Pb焊膏组装，OSP板面和ENIG Ni/Au板面的成品率都在99.2%以上。（2）研究数据表明OSP板上SAC钎料球用Sn37Pb焊膏在特定工艺条件下可以满足板级可靠性目标。这些条件归纳为一点，即BGA的SAC钎料球要与Sn37Pb焊膏完全熔合。这里的目标定义为：温度循环800次静态失效率小于5%时，平均失效等于或好于Sn37Pb对照组。（3）ENIG Ni/Au和其他板面上的“黑焊盘”缺陷影响了实验数据。当板子本身存在缺陷时，SAC钎料球BGA和SnPb焊膏组件在机械冲击负载下的失效风险很高。根据樊融融编著的现代电子装联工艺可靠性改编