印制板及其组件(PCB&PCBA)是电子产品的核心部件,PCB&PCBA的可靠性直接决定了电子产品的可靠性。为了保证和提高电子产品的质量和可靠性,对失效进行全面的理化分析,确认失效的内在机理,从而有针对性地提出改善措施。
电子元器件失效分析的目的是借助各种测试分析技术和分析程序确认电子元器件的失效现象,分辨其失效模式和失效机理,确认最终的失效原因,提出改进设计和制造工艺的建议,防止失效的重复出现,提高元器件可靠性。
集成电路复杂度与性能要求的持续攀升,叠加设计、制造、封装及应用环节的潜在风险,导致短路、开路、漏电、烧毁、参数漂移等关键失效模式频发。这不仅造成昂贵的器件报废与系统宕机,更常引发设计方、代工厂、封测厂与终端用户间的责任争议,带来重大经济损失与信誉风险。
高分子材料性能要求持续提升,而客户对高要求产品及工艺的理解差异,导致断裂、开裂、腐蚀、变色等典型失效频发,常引发供应商与用户间的责任纠纷及重大经济损失。
金属构件服役环境日益苛刻,对材料性能和结构可靠性提出更高要求。然而,设计缺陷、材料瑕疵、制造偏差或不当使用等因素,极易引发疲劳断裂、应力腐蚀开裂、氢脆、蠕变、磨损、过载变形等典型失效。
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BGA二次回流后焊球"选择性"开裂?VIPPO埋通孔设计暗藏热撕裂陷阱!

发布时间: 2026-05-28 00:00
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在电子组装工艺中,BGA(球栅阵列)器件的焊接可靠性一直是工程师关注的焦点。尤其是经历过二次回流后,偶尔会遇到一种令人头疼的"怪病"——绝大多数焊点完好无损,偏偏某几颗焊球出现了开裂,是器件翘曲变形?是局部受热不均?还是焊接热输入过高?

近期,某客户就遇到了这样的棘手案例:一批BGA器件在完成二次回流焊接后,检测发现个别焊球存在开裂异常。

问题看似偶发,却直接关系到产品的长期可靠性,为了找到真正的原因,我们进行了一套完整的失效分析。

而最终的原因,出乎很多人意料...


1.先看现象:开裂具有高度"选择性"

失效样品切片后在光学显微镜下观察,发现了三个极具规律性的特征:

  • 开裂焊球仅3颗,且每一颗的正下方都存在埋通孔(Via-in-Pad)结构;

失效样品B切片后截面光学观察照片

失效样品B切片后截面光学观察照片

  • 开裂位置全部位于BGA器件侧——具体在靠芯片一侧的IMC与焊锡之间,而PCB侧焊接界面完好无损;

失效样品B切片后截面光学观察照片

失效样品B切片后截面光学观察照片

  • 其余无埋通孔结构的焊球全部正常,无任何开裂迹象。

PS:作为对照,同时检测了4片正常样品(A/C/D/E,同批次且焊接后未失效),结果显示:所有正常样品的焊球完好,且焊球下方均无埋通孔结构。

结论:

焊球开裂与埋通孔结构存在强相关性,失效具有明确的位置选择性。


2.排除常见干扰因素:器件翘曲?局部受热不均?

① 焊球高度测量 → 排除器件翘曲变形

如果BGA器件在回流过程中发生明显翘曲,不同位置的焊球会被拉伸或压缩,导致高度出现显著差异。我们对失效样品(共15颗焊球)及正常样品进行了高度统计:

测量对象

平均高度

失效样品B焊球

201.64 μm

正常样品C焊球

202.27 μm

PS:两者差异微乎其微;同时,失效样品内部开裂焊球与未开裂焊球的高度也基本一致。

结论:

排除器件翘曲变形导致焊球开裂的可能。

② IMC厚度测量 → 排除局部受热不均

我们分别测量了失效样品开裂焊球、失效样品正常焊球,以及正常样品焊球的PCB侧IMC厚度:

测量对象

平均IMC厚度

失效样品B - 开裂焊球(Ball-3)

3.13 μm

失效样品B - 正常焊球(Ball-4)

3.32 μm

正常样品C - 正常焊球(Ball-3)

3.29 μm

PS:焊点界面IMC(金属间化合物)的厚度是反映焊接热输入的敏感指标,如果某颗焊球局部受热异常,其IMC厚度会明显偏离其他焊球,三者非常接近,说明开裂焊球并未经历异常的局部热输入。但值得注意的是,三个数值均偏厚(通常BGA焊点理想IMC厚度在1~3 μm范围),提示整体焊接热输入偏高——但这属于另一工艺问题,并非导致本次选择性开裂的直接原因。

结论:

开裂与局部受热不均无关,焊球开裂是在相对一致的热环境下发生的。


3.锁定关键特征:开裂界面呈现"退润湿"形貌

通过扫描电镜(SEM)对开裂焊球进行高倍形貌观察,并结合能谱(EDS)分析界面成分,失效机理逐渐清晰:

  • 开裂位置:位于BGA侧镍层表面形成的IMC与焊锡之间。

  • 形貌特征:焊锡侧大面积无明显IMC生成,呈现典型的"退润湿"(De-wetting)特征——焊锡曾经与IMC层形成过接触,但在后续过程中发生回缩、脱离,冷却后再也未能重新铺展润湿。

失效样品切片后截面形貌观察图

失效样品切片后截面形貌观察图

  • PCB侧:IMC形貌正常,呈连续扇贝状,无异常。

  • 成分分析:开裂界面仅检测到C、O、Ni、Sn、Cu等常规元素,未发现卤素、硫等异常杂质。

失效样品切片后截面形貌观察及成分分析结果

失效样品切片后截面形貌观察及成分分析结果

PS:正常样品的焊球两侧IMC均发育正常,无任何退润湿迹象。

结论:

开裂发生在二次回流过程中。当焊锡处于熔融或半熔融状态时,与BGA侧IMC界面发生脱离;由于IMC本身润湿性较差,后续再次接触时已无法形成有效冶金结合,最终留下开裂缝隙。这种在凝固阶段因应力回缩导致的界面分离,正是热撕裂(Hot Tear)的典型微观表现。


为什么偏偏是带埋通孔的焊盘出了问题?

失效焊盘采用了VIPPO(Via-In-Pad Plated Over)结构,即焊盘正中有一个被铜箔覆盖的埋通孔。相比传统的狗骨式(Dog-Bone)走线,VIPPO虽能节省空间、缩短走线,但在二次回流中埋下了一个隐患——热撕裂(Hot Tear)。


机理详解:

VIPPO结构从下到上依次是:

PCB树脂基材 → 孔壁镀铜 → 孔内填平 → 焊盘铜箔 → 焊球。

问题出在材料的热膨胀系数(CTE)失配:

铜的CTE ≈ 17 ppm/℃

PCB树脂(FR4)的CTE ≈ 45 ppm/℃(Z向)

在二次回流升温过程中,当温度升至约215℃(接近焊锡熔点)时,树脂的膨胀量远大于铜,由于VIPPO焊盘下方正是埋通孔区域,树脂向上膨胀会推动焊盘中心变形,在焊球与焊盘界面处产生分离应力,此时焊锡处于半熔融或刚熔融的脆弱状态,界面处的IMC与焊锡发生分离——即"热撕"。

温度继续升至~240℃焊锡完全熔融时,焊球虽重新液化,但由于界面已经分离,且IMC本身润湿性较差,熔融焊锡无法重新铺展并润湿已暴露的IMC表面,正如原文所述:"因热膨胀系数差异造成的中间空间开始逐渐缩小,由于IMC本身润湿性差,再次接触无法形成有效润湿。" 降温凝固后,这个分离界面便永久保留为开裂缝隙。

这与前文SEM观察到的"退润湿"形貌完全吻合:焊锡曾经与IMC接触,但在热应力下回缩脱离,冷却后再也未能重新结合。


改进建议:

  1. 工艺端:回流过程使用氮气保护

    氮气环境能改善焊锡润湿性,并减少界面氧化风险。即使在二次回流中焊球与IMC发生瞬时分离,氮气也有助于熔融焊锡在凝固前重新铺展,提高界面愈合的概率。

  2. 结构端:点胶局部强化

    对关键BGA区域采用点胶方式进行局部机械加固。胶粘剂可约束二次回流过程中的局部变形,直接减小VIPPO焊盘鼓出导致的界面拉应力。(注:原文明确为"点胶方式局部强化",与整板Underfill工艺不同)

  3. 设计端:尽量避免VIPPO结构

    如果PCB布线密度允许,优先采用传统的Dog-Bone走线,将通孔避开焊盘正下方。这是从源头消除CTE失配应力的最根本方法。

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