机械振动和热循环对CCGA焊点可靠性的耦合效应

3.0 设计吧 2023-02-13 172 4 1.23MB 10 页 10光币

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机械振动和热循环对 CCGA 焊点可靠性的耦合效应

1、介绍

球栅阵列（BGA）封装技术由于电子封装的小尺寸，高密度，高性能和低成本的要

求已经成为电子工业中的主流技术。CCGA 是 BGA 系列中非常重要的一环，因其散热性

好，防潮性好，耐高温性好，耐高压性好，可靠性好等优良的性能而变得越来越流

行。

许多研究集中在 CCGA 焊点在振动和热冲击下的可靠性。他们试图找出影响接头可

靠性的主要因素，并探索提高可靠性的有效方法。还有一些研究人员报告了机械振动

或热循环等情况下焊点的失效机理。然而，电子学的实际应用条件更为复杂，电子学

将同时承受超过一种或两种类型的负载。传统的矿业规则是行业常用的规则，适用于

包含机械振动和热循环等组合因素的情况。到目前为止，一些研究人员已经使用仿真

方法研究了不同类型的机械振动对接头可靠性的综合影响。但是，报道的结论仍需要

通过实验来证实。因此，热循环试验后不同机械振动下的焊点失效机理需要通过实验

进一步研究。

在这项研究中，研究了机械振动和热循环试验后 CCGA 焊点的微观结构和裂纹扩

展。使用有限元方法研究焊点中的热循环应力分布。因此描述了焊点的失效机理。通

过改进的 PCB 支架，CCGA 封装中的焊点在相同的测试条件下获得了更好的可靠性。

2、实验

所使用的 CCGA 封装的外部尺寸为 25mm×25mm×5mm。共有 349 针（1.27 毫米）的

CCGA 重量为 9 克。 CCGA 封装中的焊锡柱为 90Pb10Sn 。该焊膏材料是共晶体

63Sn37Pb。在焊接之前，通过化学方法去除焊料柱表面上的氧化层。

借助 VS-8 三维光学检测系统将焊膏手动印刷到印刷电路板的焊盘表面上。然后通

过 BGA 修复系统将焊柱精确地安装到印刷电路板上。采用热风加热法形成的焊点，峰

值温度 218℃，熔点 183℃，预热时间92s，加热速率在 1℃/s 至 3℃/s，熔化后的冷却

速率在 2℃/s 至 4℃/s。然后将安装的 CCGA 封装用角落处的环氧树脂胶固定。最后，

将防腐聚氨酯粘合剂填充到 CCGA 和 PCB 之间的间隙中组装好的 CCGA 器件如图 1 所

示。

图

1（a

）PCB 上组装后的 CCGA 器件的光学图像和（b）组装后的焊柱结构示意图

然后通过横向 ERSA 光学检测系统检查组装的 CCGA 装置。证实焊点表面光滑且无

孔，并且没有观察到桥接或其他缺陷。还使用 X 射线透视来研究焊料底部（90Pb10Sn

焊料柱和焊盘之间的焊接区域）中的孔隙度含量。发现每个接头中的总孔隙率小于

25％（与垫片面积相比），并且柱到垫片的每个偏移量都小于 25％（至垫片尺寸）。

所有的焊柱都很好地连接到 PCB 上的焊盘。

根据 ECSS-Q-ST-70-38C 标准，使用 LINGEUH2016 振动设备进行机械振动测试。正

弦振动的扫描速度为 2oct/min，随机振动测试时间为 2 分钟/轴。振动测试的主要参数

列于表 1，随机振动曲线如图2所示。

表 1 振动测试的主要参数

图 2. 随机振动曲线：

（

）

垂

直

于

安

装

表面的方向（b）平行于安装表面的方向

根据 ECSS-Q-70-08C 标准，在 Thermotron 的 SE-600-15-15 热循环室中进行热循环

测试。循环中的最高和最低温度分别为+100℃和-55℃。加热和冷却速率为 10℃/分

钟。每个阶段的停留时间为 15 分钟。热循环温度曲线如图 3 所示。经过 100 次循环

后，用标准冶金制备工艺制备 CCGA，进行 SEM 观察。使用 CAD 软件在 SEM 图片上评估

热机械耦合测试之后接头中裂纹的长度。

3、结果与讨论

热机械耦合试验后，在光学显微镜下的周边接缝表面发现裂缝，如图4所示。

图 4.热机械耦合测

试后 CCGA 接头的光学图

像

为了分析内部焊点的可靠性，选择不同区域的接头进行冶金分析。样品的切割位

置在图 5 中示出。“A”表示“Y”方向上的最外面的行。“B”表示沿“Y”方向的第

二最外侧行。“C”代表“X”方向的中心行。“D”表示“X”方向上的第二最外行，

并且“E”表示“X”方向上的最外行。表 2 列出了每个接头中测得的裂纹长度与焊点

直径的百分比。发现最外面一排中的大多数焊点获得了超过 25％的裂纹，这被认为是

失效的焊点。第二个最外排的一些焊点处也出现裂纹，所有裂纹长度均小于 30％。很

显然，耦合测试对第二行最外面的焊点的损害明显小于最外面行的焊点。此外，其他

关节没有发现明显的裂纹。得出的结论是裂缝最好发生在周边区域的接缝处。

图 5. CCGA 中切割

位置的示意图

表 2 不同接头处裂缝长度与接头直径的百分比

焊料中的裂纹演

变可分为两个阶

段：裂纹萌生和裂纹扩展直至失效。裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段的长度取决于加载

类型和加载严重程度，应变率，焊料材料的蠕变特性和温度在所有的焊锡柱中，发现

在 63Pb37Sn 焊料和 90Pb10Sn 柱之间的界面出现了裂纹，并且局限于该金属间化合物区

域，如图 6 所示。高分辨率的 SEM 图像如图 7 所示。除了在焊接界面出现裂纹外，在大

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摘要：

机械振动和热循环对CCGA焊点可靠性的耦合效应1、介绍球栅阵列（BGA）封装技术由于电子封装的小尺寸，高密度，高性能和低成本的要求已经成为电子工业中的主流技术。CCGA是BGA系列中非常重要的一环，因其散热性好，防潮性好，耐高温性好，耐高压性好，可靠性好等优良的性能而变得越来越流行。许多研究集中在CCGA焊点在振动和热冲击下的可靠性。他们试图找出影响接头可靠性的主要因素，并探索提高可靠性的有效方法。还有一些研究人员报告了机械振动或热循环等情况下焊点的失效机理。然而，电子学的实际应用条件更为复杂，电子学将同时承受超过一种或两种类型的负载。传统的矿业规则是行业常用的规则，适用于包含机械振动和热循环...

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