BGA焊點(diǎn)在低溫環(huán)境的機(jī)械強(qiáng)度-福英達(dá)錫膏
BGA焊點(diǎn)在低溫環(huán)境的機(jī)械強(qiáng)度-福英達(dá)錫膏
在一些領(lǐng)域涉及了電子設(shè)備的低溫應(yīng)用，比如航空領(lǐng)域和電信領(lǐng)域。電子設(shè)備在火星和月球表面需要承受低于零下100℃的工作環(huán)境。在如此低的溫度下運(yùn)作，電子設(shè)備的焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電導(dǎo)熱可靠性會(huì)受到巨大的挑戰(zhàn)。由于不同材料之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，在焊點(diǎn)中會(huì)存在剪切載荷，這可能導(dǎo)致焊點(diǎn)發(fā)生斷裂。
為了更直觀了解焊點(diǎn)在低溫工作的可靠性，Li等人采用BGA結(jié)構(gòu)Cu(Ni)/SAC305/Cu(Ni)焊點(diǎn)進(jìn)行低溫剪切試驗(yàn)。焊點(diǎn)的制造在BGA返修機(jī)中完成，峰值溫度為250°C，停留時(shí)間為50s。
在制造完SAC305焊點(diǎn)后，觀察到焊料基體主要由富Sn枝晶，Sn，Cu6Sn5和Ag3Sn組成。當(dāng)焊料與Cu焊盤互連時(shí)，焊料和焊盤界面金屬間化合物(IMC)為Cu6Sn5，而焊料與Ni焊盤的界面IMC為Ni3Sn4。通常來(lái)說(shuō)Ni對(duì)IMC生長(zhǎng)有一定抑制作用。因此焊料與Ni焊盤一側(cè)的界面IMC厚度較小。
在25℃的時(shí)候，Cu/SAC305/Cu焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度最低。這是因?yàn)镃u/SAC305/Cu焊點(diǎn)中的Cu6Sn5 IMC對(duì)焊料基體的強(qiáng)化作用弱于SAC305/Ni焊盤中的Ni3Sn4 IMC。此外可以看到Cu/SAC305/Cu焊點(diǎn)隨著溫度的降低剪切強(qiáng)度一直上升。而SAC305/Ni焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度在降溫時(shí)經(jīng)歷了上升階段，然后開(kāi)始下降。峰值剪切強(qiáng)度在-75℃左右時(shí)出現(xiàn)。
圖1. BGA焊點(diǎn)在不同溫度下的剪切強(qiáng)度。
在25℃時(shí)，焊料基體能看到有凹坑，表明斷裂傾向于發(fā)生在焊料基體中，此時(shí)Cu/SAC305/Cu焊點(diǎn)的斷裂模式為韌性斷裂。當(dāng)溫度降至0°C，?25°C，?50°C和?75°C時(shí)，焊料基體仍有凹坑，在焊料/IMC界面也出現(xiàn)了部分?jǐn)嗔?，此時(shí)焊點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)韌性斷裂和脆性斷裂。當(dāng)溫度下降到-100℃后，焊點(diǎn)和焊盤界面處的IMC發(fā)生斷裂，意味著此時(shí)斷裂模式為脆性斷裂。如果將焊料與Ni焊盤互連，隨著溫度降低焊點(diǎn)依舊會(huì)經(jīng)歷韌性斷裂到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變。
圖2. 不同溫度下Cu/SAC305/Cu焊點(diǎn)的斷裂表面: (a) 25?°C, (b) 0?°C, (c) ?25?°C, (d) ?50?°C, (e) ?75?°C, (f) ?100?°C, (g) ?125?°C。
圖3. 不同溫度下Cu/SAC305/Ni焊點(diǎn)的斷裂表面: (a) 25?°C, (b) 0?°C, (c) ?25?°C, (d) ?50?°C, (e) ?75?°C, (f) ?100?°C, (g) ?125?°C。
深圳市福英達(dá)的中溫錫膏SAC305能夠用于替代焊料球進(jìn)行BGA工藝，通過(guò)鋼網(wǎng)將錫膏印刷到芯片焊盤上并回流收縮成球。SAC305錫膏熔點(diǎn)217℃，能夠用于多次回流的首次回流，且焊點(diǎn)在高溫和低溫環(huán)境下仍能保持優(yōu)秀的機(jī)械強(qiáng)度。
參考文獻(xiàn)
Li, W.Y., Gui, J., Qin, H.B. & Yang, D.G. (2022). Shear performance of microscale ball grid array structure Cu(Ni)/Sn–3.0Ag–0.5Cu/Cu(Ni) solder joints at low temperatures. Materialstoday Communications, vol.30.
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