BGA焊点在低温环境的机械强度-福英达锡膏
BGA焊点在低温环境的机械强度-福英达锡膏
在一些领域涉及了电子设备的低温应用，比如航空领域和电信领域。电子设备在火星和月球表面需要承受低于零下100℃的工作环境。在如此低的温度下运作，电子设备的焊点机械强度和导电导热可靠性会受到巨大的挑战。由于不同材料之间的热膨胀系数不匹配，在焊点中会存在剪切载荷，这可能导致焊点发生断裂。
为了更直观了解焊点在低温工作的可靠性，Li等人采用BGA结构Cu(Ni)/SAC305/Cu(Ni)焊点进行低温剪切试验。焊点的制造在BGA返修机中完成，峰值温度为250°C，停留时间为50s。
在制造完SAC305焊点后，观察到焊料基体主要由富Sn枝晶，Sn，Cu6Sn5和Ag3Sn组成。当焊料与Cu焊盘互连时，焊料和焊盘界面金属间化合物(IMC)为Cu6Sn5，而焊料与Ni焊盘的界面IMC为Ni3Sn4。通常来说Ni对IMC生长有一定抑制作用。因此焊料与Ni焊盘一侧的界面IMC厚度较小。
在25℃的时候，Cu/SAC305/Cu焊点的剪切强度最低。这是因为Cu/SAC305/Cu焊点中的Cu6Sn5 IMC对焊料基体的强化作用弱于SAC305/Ni焊盘中的Ni3Sn4 IMC。此外可以看到Cu/SAC305/Cu焊点随着温度的降低剪切强度一直上升。而SAC305/Ni焊点的剪切强度在降温时经历了上升阶段，然后开始下降。峰值剪切强度在-75℃左右时出现。
图1. BGA焊点在不同温度下的剪切强度。
在25℃时，焊料基体能看到有凹坑，表明断裂倾向于发生在焊料基体中，此时Cu/SAC305/Cu焊点的断裂模式为韧性断裂。当温度降至0°C，−25°C，−50°C和−75°C时，焊料基体仍有凹坑，在焊料/IMC界面也出现了部分断裂，此时焊点同时出现韧性断裂和脆性断裂。当温度下降到-100℃后，焊点和焊盘界面处的IMC发生断裂，意味着此时断裂模式为脆性断裂。如果将焊料与Ni焊盘互连，随着温度降低焊点依旧会经历韧性断裂到脆性断裂的转变。
图2. 不同温度下Cu/SAC305/Cu焊点的断裂表面: (a) 25 °C, (b) 0 °C, (c) −25 °C, (d) −50 °C, (e) −75 °C, (f) −100 °C, (g) −125 °C。
图3. 不同温度下Cu/SAC305/Ni焊点的断裂表面: (a) 25 °C, (b) 0 °C, (c) −25 °C, (d) −50 °C, (e) −75 °C, (f) −100 °C, (g) −125 °C。
深圳市福英达的中温锡膏SAC305能够用于替代焊料球进行BGA工艺，通过钢网将锡膏印刷到芯片焊盘上并回流收缩成球。SAC305锡膏熔点217℃，能够用于多次回流的首次回流，且焊点在高温和低温环境下仍能保持优秀的机械强度。
参考文献
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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