）3 Sn4。当Cu的质量分数为0.7％ ～ 1.0％ 时，反应产物则是（Cu，Ni）6 Sn5。因此，回流焊后，SnAgCu 焊点和Ni（P）反应形成一层金属间化合物（Cu，Ni）6 Sn5，对焊点／焊盘界面的EDX 能谱分析也证实了这一点。而ENIＧ 焊盘上的Au层（约为0.05μm），回流过程中溶入钎料内，在钎料中沉积形成AuSn4［10］。在镀层表面的非晶态的Ni （P）在回流焊过程中会结晶形成Ni3P 化合物，而（Cu，Ni）6 Sn5 和Ni3P 之间会形成三元的NiSnP 纳米晶层，该层有良好的柱状晶结构［11］。



图5 是A 面失效焊点的SEM 照片，通过EDX能谱分析确认，贯穿性裂缝处于（Cu，Ni）6 Sn5 金属间化合物与焊盘Ni（P）层之间（如图5 （B）、（c））。因此，造成断裂失效的合金层可能是Ni3P层或NiSnP 层。由于这两个合金层很薄，同时Ni （P）和Ni3P 层间没有明显的界面，对断裂层的直接表征造成了困难。前面的研究发现：在纳米晶NiSnP层中存在大量KirkendAll 空洞［12］，由于Ni 是从（Cu，Ni）6Sn5 层进入到NiSnP 层，同时在（Cu，Ni）6 Sn5 层中没有发现P 元素，因此，Sn 的向外扩散造成NiSnP 层中形成了KirkendAll 空洞，这对焊点可靠性有很大的影响。在热应力实验中，裂纹产生于钎料球，延长回流焊时间或增加回流焊次数，裂纹将扩展进入NiSnP 层，由于NiSnP 层很薄，形成空洞后变得不连续，这样裂纹很容易通过此层扩展，产生失效。A、B 面的焊点分别经历了两次和一次回流焊，而在回流焊之前，BGA 器件的焊盘和焊点间还经历了突点制作过程的热处理，三次高温热处理使得A 面BGA 器件的焊盘和焊点间成为双面电路板中热处理次数最多的位置，成为焊点互连中的薄弱环节。



表2 是经过热加速实验后电路板A、B 面的BGA 器件剪切力测试结果。在剪切力（τ）作用下，A 面的BGA 器件在焊盘与焊球的接触界面发生断裂，结合SEM 的测试结果，其断裂主要是由于多次的回流焊热处理，NiSnP 层中的Sn 迁移引起了大量的空洞，沿NiSnP 层在（Cu，Ni）6 Sn5 金属间化合物与焊盘间发生断裂。而B 面的BGA 器件在剪切力下的断裂主要发生在PCB 基板与PCB 焊盘之间，说明经过同样的热应力加速实验后，B 面的BGA 器件上焊点的结合力要大于A 面上的互连焊点，最终在极限应力作用下，在PCB 基板与PCB焊盘之间发生断裂，而BGA 器件焊盘与焊点、焊点与PCB 板焊盘之间尚未发生断裂。由于A 面BGA 焊盘与焊球间的金属间化合物是受到回流焊热处理次数最多的位置，因此，在受到外力时容易在焊球与BGA 焊盘之间开裂。



双面高密度贴装的印制电路板由于热膨胀失配、板面挠曲、组装工艺等因素很容易出现可靠性问题。采用相同的无铅器件进行双面贴装时，经历多次热处理的焊点／焊盘结合界面，是焊点互连的薄弱环节，在外界应力的作用下，往往会发生互连可靠性问题。因此，从电路板设计的角度来看，要尽可能减少高密度器件的双面贴装，以避免出现应力的集中；而从组装工艺的角度来看，尽可能优化双面贴装的焊接工艺，如BGA 器件焊盘改用Cu 焊盘、采用双面贴装一次回流焊等工艺，避免焊接界面金属间化合物的劣化。

3 结语

双面贴装PCB 中，单面互连焊点失效主要是由于回流焊热处理工艺引起的。Sn3.0Ag0.5Cu 无铅钎料与镍金焊盘反应形成（Cu，Ni）6Sn5、NiSnP 和Ni3P 金属间化合物，多次热处理后，NiSnP 层中形成的大量空洞是导致焊点失效的主要因素。随着回流焊次数的增加，裂纹扩展进入NiSnP 层并通过此层扩展，最终引发焊点沿（Cu，Ni）6 Sn5 金属间化合物层和Ni（P）镀层产生断裂失效。改变回流焊工艺是抑制双面贴装BGA 器件的印制电路板出现批次性互连焊点单面失效问题的关键。