随着半导体芯片技术的不断发展，表面贴装器件逐渐向高密度、 高可靠性、 小型化的方向发展，球栅阵列封装（BGA）是电子产品主要高密度封装技术之一。 由于电子封装制造业的无铅化时代的到来，导致大量无铅电子产品的质量与可靠性问题产生［1-4］，而无铅焊点的可靠性是与其所使用的无铅钎料合金的性能以及焊点的微观结构方面密切相关。双面贴装BGA 器件印制电路板有时会出现批次性互连焊点单面失效的特殊问题。贴装印制电路板为研究对象，通过对热应力加速实验中失效的本研究以双面贴装印刷电路板为研究对象,通过对热应力加速实验中失效的SnAgCu 无铅BGA 焊点的显微结构分析和力学性能检测， 确定了双面贴装印制电路板中单面互连焊点失效的特殊问题， 从焊点合金微结构的角度分析了单面焊点互连失效的原因，提出了焊点的潜在失效机理与防止措施。

1 实验

采用双面FR4 基板（PCB 板）和BGA 封装器件，表面组装工艺如下： 锡膏涂布→ BGA 器件贴装→回流焊接→翻板→锡膏涂布→ BGA 器件贴装→回流焊接， 形成双面各贴装8 枚BGA 芯片的印制电路板。BGA 器件焊接所用的钎料为无铅Sn3.0Aｇ0.5Cu钎料， BGA 器件焊盘和PCB 焊盘采用镍金焊盘，Ni层中P含量大约为7 ％ ～ 9％。焊接后双面贴装BGA 器件的电路板结构如图1所示。



首先采用高低温冲击实验箱（TSG-70H-W），对完成组装的双面贴装印制电路板进行高低温应力加速实验， 温度循环实验参数见表1，表1 中θ为循环条件（温度）， T 为持续时间， v 为温变速率。进行500 个温度循环后进行电路互连性能检测，判定电路板是否在加速实验中发生互连失效。对发生互连失效的电路板进行金相切片分析，初步判断焊点的失效位置。确定了互连失效的具体位置后，采用扫描电镜和X射线能谱（XL.30&DX-4i）分析失效焊点的显微形貌。采用微机控制电子万能实验机（CMT6502）对电路板表面BGA 器件进行力学性能测试。



2 结果与讨论

对双面贴装PCB 板进行热循环加速实验，主要是为了通过加速实验来发现互连中潜在的失效位置。热应力加速实验后，通过电性能检测判定组装板是否在加速实验中发生互连失效。图2 是加速实验后发生互连失效的双面贴装电路板的代表性截面（沿图1 上截面）金相照片（如图2（A））和A、B面互连焊点的金相照片（如图2 （B）～ （e））。对双面电路板A、B 两面互连焊点的金相显微分析发现，A 面BGA 器件焊盘和焊点界面发生多处互连开路失效，图2 （A）左上方位置的互连焊点存在贯穿性裂缝（在器件焊盘和焊点结合面，如图2（c））。而在表面贴装前，BGA 器件焊盘与SnAgCu焊点间结合良好，金属间化合物均匀，并未发现结合界面存在裂缝或空洞（如图3）。这说明A 面焊点BGA 器件焊盘和焊点结合界面的裂纹是在热应力加速实验中产生的，而同样经过热循环加速实验的B面互连焊点，上、下界面的互连良好，没有发现任何的开裂痕迹，如图2 （d）、（e）。双面贴装BGA 器件的电路板出现了A 面BGA 焊点发生失效而B 面互连正常的特殊现象。在器件贴装过程中，A 面BGA 焊点经历了两次回流焊，而B 面BGA焊点只经历了一次回流焊，这是热应力加速实验对A、B 面焊点产生不同效果的主要原因。





焊点/焊盘界面在热应力条件下的失效，和SnAgCu 钎料合金与非电镀Ni （P）焊盘间材料显微结构的演变有关。不含Cu 时，Sn 在Ni 层的两元素中或SnPB 在Ni 层的三元系中形成Ni3Sn4。使用含Cu 的SnAgCu 钎料时，化合物Ni3Sn4 形成受到抑制，将形成溶有Ni 的Cu6Sn5［5-7］。

由于在回流焊过程中熔融钎料只存在约1 min，三元合金Ni26Cu29 Sn45没有充分的形成时间，因此，不考虑Ni26Cu29Sn45化合物的压稳态相图，可以更好地描述SnAgCu 钎料与金属镀层之间的反应。根据K.Zeng等人［8］基于实验数据所得的优化的相平衡数据库，Ni3Sn4 和Cu6Sn5 在235 ℃时的亚稳态平衡相图如图4 所示。根据对焊点中第一相形成的预测［9］，由图4 （B）可知，焊点与焊盘结合界面反应形成的第一相确实是溶有一定量Ni 的Cu6Sn5，而非溶有Cu 的Ni3Sn4 相（如图4（A））。如果钎料中Cu含量很低，连线穿过Ni3 Sn4相的液相线时，首先形成的金属间化合物是Ni3Sn4。当二元SnCu钎料中Cu 的质量分数（w）为0.2％时，与Ni的钎料反应的产物是（Ni，Cu