简述有铅BGA焊点在热循环载荷下疲劳失效及应对方法
时间:2019-08-22 13:55 来源:未知 作者:qingting
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焊点热疲劳源于在工作过程中所承受的热循环过程，热疲劳还包含由于热不匹配导致的等温机械疲劳。有研究表明，热疲劳是一种在疲劳和蠕变交互作用下的失效过程。焊点热疲劳失效是一种蠕变与疲劳损伤的复合累积损伤。宏观上表现为，热疲劳损伤导致在远离焊点中心区的焊料与基板过渡区(即高应力区)产生初始裂纹，然后逐渐沿焊料与基板界面扩展至整个焊点长度；微观上表现为，热疲劳断口表面有疲劳条纹的特征、晶界微空洞和蠕变沿晶界断裂的痕迹。焊点热疲劳损伤的过程可以用图1表示。
图1 焊点疲劳损伤失效示意图
2 热疲劳失效特征
由于焊点发生热疲劳会引起焊点内部组织的变化，因此焊点的疲劳特征可表现于其内部金相组织形貌的改变。通常来说，通过金相显微镜观察有铅BGA焊点的截面，可以看到富铅相以及富锡相（如图2~图3所示），其中富铅相的铅元素含量较高，富锡相的锡元素含量较高。在完成焊接后，富铅相均较为均匀细腻地分布于富锡相内部（图2），在热循环载荷引起的热机械应力作用下，富铅相不断富集、组织粗化（图3），在富铅相与富锡相之间形成空洞以及微裂纹，使得机械强度下降，最终导致疲劳开裂失效。
图2有铅BGA焊点焊接后金相照片
图3有铅BGA焊点热疲劳后金相照片
图4 (a)有铅共晶与(b)高铅CBGA焊点在经历相同温度循环试验后金相照片
图1 焊点疲劳损伤失效示意图
2 热疲劳失效特征
由于焊点发生热疲劳会引起焊点内部组织的变化，因此焊点的疲劳特征可表现于其内部金相组织形貌的改变。通常来说，通过金相显微镜观察有铅BGA焊点的截面，可以看到富铅相以及富锡相（如图2~图3所示），其中富铅相的铅元素含量较高，富锡相的锡元素含量较高。在完成焊接后，富铅相均较为均匀细腻地分布于富锡相内部（图2），在热循环载荷引起的热机械应力作用下，富铅相不断富集、组织粗化（图3），在富铅相与富锡相之间形成空洞以及微裂纹，使得机械强度下降，最终导致疲劳开裂失效。
图2有铅BGA焊点焊接后金相照片
图3有铅BGA焊点热疲劳后金相照片
3 热疲劳失效应对措施
为了避免焊点发生热疲劳失效，可以采取以下几种措施，以提高焊点的耐热疲劳性能，增加焊点寿命。
3.1 增加焊点高度
依据IPC-D-279的损伤模型（Damage Model）理论，焊点的疲劳损伤(ΔD)与焊点高度(h)有如下关系，
为了避免焊点发生热疲劳失效，可以采取以下几种措施，以提高焊点的耐热疲劳性能，增加焊点寿命。
3.1 增加焊点高度
依据IPC-D-279的损伤模型（Damage Model）理论，焊点的疲劳损伤(ΔD)与焊点高度(h)有如下关系，
即ΔD与h成负相关，焊点高度越大，焊点所受到的疲劳损伤越小，因此焊点的耐热疲劳性能随焊点高度增加而增加。图4显示了具有有铅共晶以及高铅CBGA焊点在经历相同温度循环试验后的金相照片。在焊接过程中，高铅球未熔融、坍塌，与有铅共晶焊点相比，高铅焊点的高度较大。由图4可以看出，焊点高度较小的共晶焊点存在明显组织粗化现象以及贯穿性裂纹，而高度较大的高铅焊点则未见明显变化。上述结果表明，适当地增加焊点高度可以有效地提升焊点的耐热疲劳性能。
图4 (a)有铅共晶与(b)高铅CBGA焊点在经历相同温度循环试验后金相照片
3.2 降低BGA与PCB之间的热膨胀系数差异
由于BGA焊点的热疲劳应力从根本上来源于BGA与PCB之间的热膨胀系数差异，因此，降低热膨胀系数的差异可以直接减小焊点所受的热机械应力，从而提高其耐热疲劳性能。图5显示了本体热膨胀系数不同的CBGA焊点在经历相同温度循环试验后的金相照片。由该图可以看出，本体热膨胀系数较小（与PCB膨胀系数差异大）的CBGA焊点组织粗化现象更为明显，且焊点存在贯穿性裂纹，表明耐热疲劳性能较差。
图5 （a）本体膨胀系数较大与（b）本体膨胀系数较小的CBGA焊点在经历相同温度循环试验后金相照片
3.3 点胶工艺
有研究表明，通过对器件进行点胶工艺，可以有效降低焊点在热循环载荷作用下承受的热机械应力，从而达到提高焊点耐热疲劳性能。此处的点胶工艺主要是指，焊接完成后在器件的焊点周围填充胶粘剂，从而对焊点起到防护作用。图6为无胶、有胶情况下焊点在热循环载荷应力作用下承受的等效应力峰值。由该图可以看出，在有胶的情况下，焊点所受到的等效应力最小。
图6 无胶、有胶焊点等效应力-周期曲线
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