焊接点疲劳
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象，在机械疲劳中也未能观察到。
（2）断裂路径：无铅焊点机械疲劳的断裂路径比较复杂，不容易区分，从切片观察来看，基本认
为是沿晶＋穿晶断裂。
.宏观裂纹扩展：宏观裂纹的扩展形貌非常相似，但细微观察发现，机械疲劳的断口在裂纹
尖端更细，能感觉到裂纹在焊点由外侧逐渐向内变细的趋势，而蠕变疲劳的裂纹宽度比较
劳等也都希望从不同角度评估板级焊点的可靠性。而很多研究表明无铅焊点的强度要比
SnPb焊点高，其吸收应力能力较弱，因此其机械可靠性也越来越引起人们的关注。本文从失效机理出
发，主要总结了无铅焊点在弯曲循环以及跌落试验条件下的失效特征，指导以后的相关可靠性
试验的进行。
2 试验设计
本研究主要通过实验加载的方式获得不同应力条件下的焊点失效样本，包括BGA和CSP两种面
晶裂纹同时也会发生。
观察中还发现，同蠕变疲劳断裂类似，NSMD焊盘绿油对裂纹的萌生仍然是重要因素之一，
多个焊点开裂裂纹都发生在绿油与焊点接触的位置。
3.1.3机械疲劳断口
.
断口宏观特征：下图为某器件中某三个相邻焊点经过6W次循环起拔后的断口，宏观规律非常明
显，特征类似。可以判断出其宏观裂纹的扩展为上下相向扩展，在靠近上端的位置断裂。
并没有出现在机械疲劳试验中。其原因同温度有很大关系，温循过程中焊点会经受较高的温
度，原子扩散能力增强，在长时间的扩散后，再结晶过程容易发生，而常温下的机械疲劳温
度低，并且焊点经历的变化时间较短，其载荷的施加与实际温循时焊点的应力还存在差别，
因此在金相组织上并没有明显的变化。此外，在蠕变疲劳中发现的Ag3Sn颗粒聚集长大的现
在加载幅度较大的情况下更容易开裂。在温度循环条件下，树脂裂纹和走线断裂是很少见的。
3.1.2机械疲劳焊点中开裂微观特征
焊点中间开裂是温度循环最常见的失效模式，因此该种失效模式也作为机械疲劳的重点关注对
象，用以对比其失效机理是否相同。
（1）金相组织：机械疲劳后的焊点组织并无异常变化（约1wcycle），温循情况下出现的再结晶
走线开裂失效模式主要发生在弯曲幅度较大的情况下（如2mm），试验200左右循环即可发生，
有的甚至在几十次弯曲后即可监测测到电阻变化。原因与Cu线有很大关系，由于Cu走线非常薄，在
较大的弯曲幅度下，塑性变形严重，几十次弯折后即可开裂；此外，树脂处发生裂纹也与变形幅度
相关，焊点为塑性很强的金属材料，变性能力很强，而树脂与玻纤界面或树脂本身都呈现脆性性质，
断口微观特征：断口微观特征与蠕变疲劳特征非常相似，几乎整个断面都呈现颗粒状的形貌，
与沿晶断裂特征相似，并伴随出现大量的沿晶二次裂纹。由于Sn合金非常柔软，虽然出现沿晶
断裂的特征，但仍能发现Sn颗粒已经发生了明显的塑性变形，其中也有部分发生穿晶断裂。
此外，在观察机械疲劳断口时发现，断面上很多区域分布着大量的富Ag相，正与前面的切片分
4小结
（1）无铅焊点的温循断裂为蠕变疲劳断裂，断裂路径以沿晶为主，断口上可以观察到明显的颗粒状
的形貌特征，也可以看到疲劳辉纹特征；机械疲劳的断裂则是沿晶＋穿晶混合的状态；
（2）在失效模式上看，机械疲劳可能会造成走线断裂和树脂裂纹，而目前蠕变疲劳都发生在焊料中
(包括在IMC/焊料的界面）；
平均，这与焊点经历的过程有很大关联。温循时，整个焊点经历了长时间的蠕变过程，晶
界行为表现的非常明显，虽然裂纹从外侧向中心扩展，但中心部位的组织也已变化，因此
裂纹的扩展更向是各个区域的空洞、微裂纹等连接而成，裂纹宽度变化并不明显。而机械
疲劳虽然晶界行为也在发生，但是时间短，温度低，仍有部分区域依赖于应力的作用穿晶
为OSP和ENIG。组装过程中锡膏成分为SAC305，回流峰值温度在235度以上。实验的目的仅是为了获
得过应力失效，因此并未控制加速度等参数，但跌落方向始终保持垂直于板面。
3 试验结果和分析
3.1 弯曲疲劳试验结果
3.1.1失效模式
通过试验观察发现，机械疲劳主要的失效模式有：焊点中开裂、走线开裂以及树脂裂纹三类。
过应力断裂的失效模式主要包括：焊点中塑性断裂、界面脆性断裂、树脂撕裂。
3.2.1塑性断裂
焊点在拉拔应力作用下的塑性断裂是常见断裂模式，塑性变形明显，呈韧窝形貌，但这种情况
在实际应用中出现的较少，焊点一般也不会受到此类型的应力。
3.2.2脆性断裂
焊点的脆性断裂是较为常见一种失效机理，也是电子产品较为关心的一类失效。主要包括焊点
Ag3Sn颗粒的阻碍，晶界滑移将很难发生，但一些微裂纹或空穴将围绕这第二相发生，当微观
缺陷逐渐聚集长大时，就发生成为晶间裂纹。
另一方面，由于机械疲劳的加载速度毕竟比温循快很多，因此在Ag3Sn颗粒周围空穴聚集
的速度有可能不足以释放掉应力，因此晶内的塑性变形也会明显发生，当加载速度较快时，穿
试验设备采用instron，并参考IPC-9702采用四点弯方式，支撑跨距和加载跨距分别为
110mm和
75mm，但有所不同的是采用循环加载，并控制加载滚轴的下压幅度为1mm和2mm两种，以给焊点施加
两种不同大小的应力，采用正弦波加载，加载频率为1Hz。实验时的环境温度包括两种，分别是室温
析对应，证明有沿晶断裂特征，也间接证明了机械疲劳的断裂与富Ag相的分布有着重要的关系。而
在蠕变疲劳断口中，覆盖在断口上的富Ag相相对较少，这一方面是由于温循时造成了Ag3Sn的熟化，
组织变大，另一方面由于再结晶晶界成为了裂纹扩展的主要路径，因此观察不到细密的Ag3Sn小颗
粒。
3.2 过应力断裂
阵列器件，实验条件分别采用循环弯曲实验和跌落实验，分别对应为机械加载下的疲劳应力失效和
过应力失效，同时利用金相显微镜和扫描电镜观察失效焊点的组织形貌、断口特征。
2.1 机械四点弯循环弯曲试验
通过温度循环实验对样本焊点进行长期的疲劳蠕变应力加载，从而获得失效样本。实验样本采
用具有菊花链设计的BGA假件，1.0mm pitch。器件焊点为满阵列，焊球数为256，即16×16，焊球成
（3）无铅焊点的金相在温循后会在界面附近形成明显的再结晶区域，而再结晶晶界往往会成为裂纹
扩展的主要路径；而机械疲劳的焊点则观察不到这种再结晶特征，因此其断裂与温循断裂并不完全
相同，如果采用机械四点弯替代温循方法还需要进一步的研究，对参数进行调整。
（4）机械应力条件下的过应力主要为焊点中韧性断裂和脆性断裂两类。其中脆性断裂大部分发生在
分为SAC305。整个器件的封装尺寸为
17×17mm。PCB厚度为用菊花链并与器件的设计相配合，同时设置数个电阻测量点。SMT组装过程中锡
膏成分也为SAC305，回流峰值温度控制在235度左右，以保证焊点充分熔化并混合均匀。
断裂，出现了裂纹尖端变细的情形。
.微观扩展路径：无铅焊点的蠕变疲劳基本沿再结晶晶界或 IMC/焊料界面扩展，属于典型的沿晶
断裂模式，其主要机理依赖于再结晶的发生或IMC界面的变化。但是机械疲劳则与其不同，焊
点刚开始结晶时，在Sn枝晶周围弥散分布着大量的Ag3Sn颗粒，由于Sn枝晶的结构以及富集的
界面脆性断裂和树脂裂纹两大类。
（1）OSP表面处理，界面生成Cu6Sn5 IMC，发生脆断时，基本穿晶开裂，界面平齐。
Cu6Sn5
（2）ENIG表面处理，该种处理由于其本身的界面结合性能较差，脆性断裂也是最常见的一类。其
断裂也基本有两类：在NiCu3Sn4与CuNi6Sn5界面开裂或者在Ni与IMC的界面开裂，。
无铅焊点机械应力失效报告
摘要：机械应力是电子产品最常见的应力场景之一，很多相关的焊点可靠性试验也是围绕着各
种应力进行，如跌落试验、弯曲试验、机械疲劳试验等等。该文从失效分析角度出发，总结了
常见机械应力条件下无铅焊点可能的失效模式及失效特征。
1 概述
机械应力是电子类产品最常见的应力场景之一，许多可靠性试验，如跌落、弯曲、机械疲
IMC中间或界面附近，树脂裂纹也是其失效特征之一，而在机械疲劳试验中往往也能观察到树脂裂纹。
和高温(100℃)。实验过程中采用34970设备对BGA焊点的电阻进行监控。
2.2 跌落试验
跌落试验中采用具有菊花链设计的CSP假件，0.5mm pitch，非满阵列，焊球数为228，封装尺寸
为12mm×12mm，焊球成分为
SAC305。实验中所用的PCB厚度为2.0mm，6层，采用FR4板材，表面处理
（2）断裂路径：无铅焊点机械疲劳的断裂路径比较复杂，不容易区分，从切片观察来看，基本认
为是沿晶＋穿晶断裂。
.宏观裂纹扩展：宏观裂纹的扩展形貌非常相似，但细微观察发现，机械疲劳的断口在裂纹
尖端更细，能感觉到裂纹在焊点由外侧逐渐向内变细的趋势，而蠕变疲劳的裂纹宽度比较
劳等也都希望从不同角度评估板级焊点的可靠性。而很多研究表明无铅焊点的强度要比
SnPb焊点高，其吸收应力能力较弱，因此其机械可靠性也越来越引起人们的关注。本文从失效机理出
发，主要总结了无铅焊点在弯曲循环以及跌落试验条件下的失效特征，指导以后的相关可靠性
试验的进行。
2 试验设计
本研究主要通过实验加载的方式获得不同应力条件下的焊点失效样本，包括BGA和CSP两种面
晶裂纹同时也会发生。
观察中还发现，同蠕变疲劳断裂类似，NSMD焊盘绿油对裂纹的萌生仍然是重要因素之一，
多个焊点开裂裂纹都发生在绿油与焊点接触的位置。
3.1.3机械疲劳断口
.
断口宏观特征：下图为某器件中某三个相邻焊点经过6W次循环起拔后的断口，宏观规律非常明
显，特征类似。可以判断出其宏观裂纹的扩展为上下相向扩展，在靠近上端的位置断裂。
并没有出现在机械疲劳试验中。其原因同温度有很大关系，温循过程中焊点会经受较高的温
度，原子扩散能力增强，在长时间的扩散后，再结晶过程容易发生，而常温下的机械疲劳温
度低，并且焊点经历的变化时间较短，其载荷的施加与实际温循时焊点的应力还存在差别，
因此在金相组织上并没有明显的变化。此外，在蠕变疲劳中发现的Ag3Sn颗粒聚集长大的现
在加载幅度较大的情况下更容易开裂。在温度循环条件下，树脂裂纹和走线断裂是很少见的。
3.1.2机械疲劳焊点中开裂微观特征
焊点中间开裂是温度循环最常见的失效模式，因此该种失效模式也作为机械疲劳的重点关注对
象，用以对比其失效机理是否相同。
（1）金相组织：机械疲劳后的焊点组织并无异常变化（约1wcycle），温循情况下出现的再结晶
走线开裂失效模式主要发生在弯曲幅度较大的情况下（如2mm），试验200左右循环即可发生，
有的甚至在几十次弯曲后即可监测测到电阻变化。原因与Cu线有很大关系，由于Cu走线非常薄，在
较大的弯曲幅度下，塑性变形严重，几十次弯折后即可开裂；此外，树脂处发生裂纹也与变形幅度
相关，焊点为塑性很强的金属材料，变性能力很强，而树脂与玻纤界面或树脂本身都呈现脆性性质，
断口微观特征：断口微观特征与蠕变疲劳特征非常相似，几乎整个断面都呈现颗粒状的形貌，
与沿晶断裂特征相似，并伴随出现大量的沿晶二次裂纹。由于Sn合金非常柔软，虽然出现沿晶
断裂的特征，但仍能发现Sn颗粒已经发生了明显的塑性变形，其中也有部分发生穿晶断裂。
此外，在观察机械疲劳断口时发现，断面上很多区域分布着大量的富Ag相，正与前面的切片分
4小结
（1）无铅焊点的温循断裂为蠕变疲劳断裂，断裂路径以沿晶为主，断口上可以观察到明显的颗粒状
的形貌特征，也可以看到疲劳辉纹特征；机械疲劳的断裂则是沿晶＋穿晶混合的状态；
（2）在失效模式上看，机械疲劳可能会造成走线断裂和树脂裂纹，而目前蠕变疲劳都发生在焊料中
(包括在IMC/焊料的界面）；
平均，这与焊点经历的过程有很大关联。温循时，整个焊点经历了长时间的蠕变过程，晶
界行为表现的非常明显，虽然裂纹从外侧向中心扩展，但中心部位的组织也已变化，因此
裂纹的扩展更向是各个区域的空洞、微裂纹等连接而成，裂纹宽度变化并不明显。而机械
疲劳虽然晶界行为也在发生，但是时间短，温度低，仍有部分区域依赖于应力的作用穿晶
为OSP和ENIG。组装过程中锡膏成分为SAC305，回流峰值温度在235度以上。实验的目的仅是为了获
得过应力失效，因此并未控制加速度等参数，但跌落方向始终保持垂直于板面。
3 试验结果和分析
3.1 弯曲疲劳试验结果
3.1.1失效模式
通过试验观察发现，机械疲劳主要的失效模式有：焊点中开裂、走线开裂以及树脂裂纹三类。
过应力断裂的失效模式主要包括：焊点中塑性断裂、界面脆性断裂、树脂撕裂。
3.2.1塑性断裂
焊点在拉拔应力作用下的塑性断裂是常见断裂模式，塑性变形明显，呈韧窝形貌，但这种情况
在实际应用中出现的较少，焊点一般也不会受到此类型的应力。
3.2.2脆性断裂
焊点的脆性断裂是较为常见一种失效机理，也是电子产品较为关心的一类失效。主要包括焊点
Ag3Sn颗粒的阻碍，晶界滑移将很难发生，但一些微裂纹或空穴将围绕这第二相发生，当微观
缺陷逐渐聚集长大时，就发生成为晶间裂纹。
另一方面，由于机械疲劳的加载速度毕竟比温循快很多，因此在Ag3Sn颗粒周围空穴聚集
的速度有可能不足以释放掉应力，因此晶内的塑性变形也会明显发生，当加载速度较快时，穿
试验设备采用instron，并参考IPC-9702采用四点弯方式，支撑跨距和加载跨距分别为
110mm和
75mm，但有所不同的是采用循环加载，并控制加载滚轴的下压幅度为1mm和2mm两种，以给焊点施加
两种不同大小的应力，采用正弦波加载，加载频率为1Hz。实验时的环境温度包括两种，分别是室温
析对应，证明有沿晶断裂特征，也间接证明了机械疲劳的断裂与富Ag相的分布有着重要的关系。而
在蠕变疲劳断口中，覆盖在断口上的富Ag相相对较少，这一方面是由于温循时造成了Ag3Sn的熟化，
组织变大，另一方面由于再结晶晶界成为了裂纹扩展的主要路径，因此观察不到细密的Ag3Sn小颗
粒。
3.2 过应力断裂
阵列器件，实验条件分别采用循环弯曲实验和跌落实验，分别对应为机械加载下的疲劳应力失效和
过应力失效，同时利用金相显微镜和扫描电镜观察失效焊点的组织形貌、断口特征。
2.1 机械四点弯循环弯曲试验
通过温度循环实验对样本焊点进行长期的疲劳蠕变应力加载，从而获得失效样本。实验样本采
用具有菊花链设计的BGA假件，1.0mm pitch。器件焊点为满阵列，焊球数为256，即16×16，焊球成
（3）无铅焊点的金相在温循后会在界面附近形成明显的再结晶区域，而再结晶晶界往往会成为裂纹
扩展的主要路径；而机械疲劳的焊点则观察不到这种再结晶特征，因此其断裂与温循断裂并不完全
相同，如果采用机械四点弯替代温循方法还需要进一步的研究，对参数进行调整。
（4）机械应力条件下的过应力主要为焊点中韧性断裂和脆性断裂两类。其中脆性断裂大部分发生在
分为SAC305。整个器件的封装尺寸为
17×17mm。PCB厚度为用菊花链并与器件的设计相配合，同时设置数个电阻测量点。SMT组装过程中锡
膏成分也为SAC305，回流峰值温度控制在235度左右，以保证焊点充分熔化并混合均匀。
断裂，出现了裂纹尖端变细的情形。
.微观扩展路径：无铅焊点的蠕变疲劳基本沿再结晶晶界或 IMC/焊料界面扩展，属于典型的沿晶
断裂模式，其主要机理依赖于再结晶的发生或IMC界面的变化。但是机械疲劳则与其不同，焊
点刚开始结晶时，在Sn枝晶周围弥散分布着大量的Ag3Sn颗粒，由于Sn枝晶的结构以及富集的
界面脆性断裂和树脂裂纹两大类。
（1）OSP表面处理，界面生成Cu6Sn5 IMC，发生脆断时，基本穿晶开裂，界面平齐。
Cu6Sn5
（2）ENIG表面处理，该种处理由于其本身的界面结合性能较差，脆性断裂也是最常见的一类。其
断裂也基本有两类：在NiCu3Sn4与CuNi6Sn5界面开裂或者在Ni与IMC的界面开裂，。
无铅焊点机械应力失效报告
摘要：机械应力是电子产品最常见的应力场景之一，很多相关的焊点可靠性试验也是围绕着各
种应力进行，如跌落试验、弯曲试验、机械疲劳试验等等。该文从失效分析角度出发，总结了
常见机械应力条件下无铅焊点可能的失效模式及失效特征。
1 概述
机械应力是电子类产品最常见的应力场景之一，许多可靠性试验，如跌落、弯曲、机械疲
IMC中间或界面附近，树脂裂纹也是其失效特征之一，而在机械疲劳试验中往往也能观察到树脂裂纹。
和高温(100℃)。实验过程中采用34970设备对BGA焊点的电阻进行监控。
2.2 跌落试验
跌落试验中采用具有菊花链设计的CSP假件，0.5mm pitch，非满阵列，焊球数为228，封装尺寸
为12mm×12mm，焊球成分为
SAC305。实验中所用的PCB厚度为2.0mm，6层，采用FR4板材，表面处理