失效分析案例-BGA器件焊点开裂

BGA器件焊点开裂
一、样品描述
在测试过程中发现板上BGA器件存在焊接失效，用热风拆除BGA器件后，发现对应PCB 焊盘存在不润湿现象，见图1。

二、染色试验
焊点开裂主要发生在四个边角上，且开裂位置均为BGA器件焊球与PCB焊盘间，见表1。

开裂面积开裂模式
Type A: 100%开裂Type 1: 器件焊盘与焊球间开裂
Type B: 50%≤开裂<100% Type 2: PCB焊盘与焊球间开裂
Type C: 开裂<50%
Type D: 未开裂
Type E: 无焊点
金相及SEM分析见图2～图5。

四、综合分析
对所送PCBA器件焊点进行分析，均发现已失效器件和还未失效器件焊点在IMC与Ni 层的富磷层（P-Rich）间存在开裂，且镍层存在腐蚀；在焊接过程中，Sn与Ni反应生成Sn/Ni 化合物，而镍层中的磷不参与合金反应，因此多余的磷原子则会留在镍层和合金层界面，过多的P在镍和IMC界面富集将形成黑色的富磷（P-Rich）层，同时，存在的镍层腐蚀会影响焊料与镍层的结合，富磷层和镍层腐蚀的存在会降低焊点与焊盘之间的结合强度；当焊点在组装过程中受到应力时，会在焊点强度最弱处发生开裂，BGA封装角部焊点由于远离中心点，承受的应力更大，故开裂一般会先发生在角部。

由于未发现板子严重翘起、器件机械损伤等异常应力作用的特征，因此导致焊点开裂的应力可能来自于回流焊接或者波峰焊接过程等环境中所受到的正常应力。

同时，同批次及相邻批次PCB样品（生产日期0725和0727）Au/Ni焊盘SEM&EDS 的分析结果也表明，PCB焊盘Ni层也存在一定腐蚀。

由以上分析可得，由于较厚富磷层（P-Rich）及镍层腐蚀的存在，将降低焊点与焊盘之间的结合强度，使得该处成为焊点强度最薄弱的地方，在受到正常应力情况下，发生开裂失效。

五、分析结论
（1）BGA器件焊接失效表现为焊点存在100%开裂，开裂位置发生在IMC与PCB焊盘Ni层的富磷层（P-Rich）间。

（2）导致BGA焊点开裂的原因是，焊点中PCB面焊盘镍层存在腐蚀以及镍层表面富磷层的存在降低了焊点与焊盘的机械结合强度，当受到正常应力作用时发生开裂失效。