簡(jiǎn)述有鉛BGA焊點(diǎn)在熱循環(huán)載荷下疲勞失效及應(yīng)對(duì)方法
圖1 焊點(diǎn)疲勞損傷失效示意圖
2 熱疲勞失效特征
由于焊點(diǎn)發(fā)生熱疲勞會(huì)引起焊點(diǎn)內(nèi)部組織的變化，因此焊點(diǎn)的疲勞特征可表現(xiàn)于其內(nèi)部金相組織形貌的改變。通常來(lái)說(shuō)，通過(guò)金相顯微鏡觀察有鉛BGA焊點(diǎn)的截面，可以看到富鉛相以及富錫相（如圖2~圖3所示），其中富鉛相的鉛元素含量較高，富錫相的錫元素含量較高。在完成焊接后，富鉛相均較為均勻細(xì)膩地分布于富錫相內(nèi)部（圖2），在熱循環(huán)載荷引起的熱機(jī)械應(yīng)力作用下，富鉛相不斷富集、組織粗化（圖3），在富鉛相與富錫相之間形成空洞以及微裂紋，使得機(jī)械強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致疲勞開(kāi)裂失效。
圖2有鉛BGA焊點(diǎn)焊接后金相照片
圖3有鉛BGA焊點(diǎn)熱疲勞后金相照片
為了避免焊點(diǎn)發(fā)生熱疲勞失效，可以采取以下幾種措施，以提高焊點(diǎn)的耐熱疲勞性能，增加焊點(diǎn)壽命。
3.1 增加焊點(diǎn)高度
依據(jù)IPC-D-279的損傷模型（Damage Model）理論，焊點(diǎn)的疲勞損傷(ΔD)與焊點(diǎn)高度(h)有如下關(guān)系，
圖4 (a)有鉛共晶與(b)高鉛CBGA焊點(diǎn)在經(jīng)歷相同溫度循環(huán)試驗(yàn)后金相照片
3.2 降低BGA與PCB之間的熱膨脹系數(shù)差異
由于BGA焊點(diǎn)的熱疲勞應(yīng)力從根本上來(lái)源于BGA與PCB之間的熱膨脹系數(shù)差異，因此，降低熱膨脹系數(shù)的差異可以直接減小焊點(diǎn)所受的熱機(jī)械應(yīng)力，從而提高其耐熱疲勞性能。圖5顯示了本體熱膨脹系數(shù)不同的CBGA焊點(diǎn)在經(jīng)歷相同溫度循環(huán)試驗(yàn)后的金相照片。由該圖可以看出，本體熱膨脹系數(shù)較小（與PCB膨脹系數(shù)差異大）的CBGA焊點(diǎn)組織粗化現(xiàn)象更為明顯，且焊點(diǎn)存在貫穿性裂紋，表明耐熱疲勞性能較差。
3.3 點(diǎn)膠工藝
有研究表明，通過(guò)對(duì)器件進(jìn)行點(diǎn)膠工藝，可以有效降低焊點(diǎn)在熱循環(huán)載荷作用下承受的熱機(jī)械應(yīng)力，從而達(dá)到提高焊點(diǎn)耐熱疲勞性能。此處的點(diǎn)膠工藝主要是指，焊接完成后在器件的焊點(diǎn)周?chē)畛淠z粘劑，從而對(duì)焊點(diǎn)起到防護(hù)作用。圖6為無(wú)膠、有膠情況下焊點(diǎn)在熱循環(huán)載荷應(yīng)力作用下承受的等效應(yīng)力峰值。由該圖可以看出，在有膠的情況下，焊點(diǎn)所受到的等效應(yīng)力最小。
圖6 無(wú)膠、有膠焊點(diǎn)等效應(yīng)力-周期曲線
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