电路板球脚焊点的可靠度

一、局部热胀系数之差异

由于晶片本身的CTE只有3ppm/℃，而有机载板却接近15  ppm/℃ ，于是当封装与组装中遭受到强大热力，以及元件后续工作中内部放热等情形，均将造成很大拉伸应力，进而在累积应变之下，经常造成颈部开裂之断头情形。不过在採用银胶做为安晶的步骤中，若能加厚其银胶者也可减缓一些局部CTE-mismatch的难题。由于腹底中央区不易得到足够的热量而难以焊牢之下，使得设计者只敢将重要的讯号球置于腹底之外围，内部只能安排一些无关紧要的接地球与散热球而已。

二、球脚高度

焊后球脚之高度愈高者其可靠度也较好，通常63/37的焊后球高约400-640μm，但Sn/Pb90者则可增高至760-890μm。 一般而言，各种高温过程都会使球高变扁；例如某球原高750μm，载板植著后之高度降为625μm，PCB组装后更会降到500μm。球脚愈扁者其可靠度愈差。右表即为63/37球高与球距以及垫径三者之关系。原球高度经熔焊后通常会矮化10% ，有散热片者更将会失高250%。

图1、此二图说明球高过度变矮之不良现象

三、焊垫形状与表面处理的影响

BGA之顶部载板植球处多次受热后，可能会因剪力而造成介面之开裂，因而其球垫须特别採用风险较少之"绿漆设限"式设计。但此种限制銲料扩展的銲点，在无法尽兴散锡下，将成为应力集中的危险区域，其可靠度将大受威胁。在相同站立高度之情形下，若将SMD改变NSMD时，则銲锡在扩张地盘中会往铜垫之侧壁流下，形成有如倒钩般的强力结合。在高度不致过度变矮但却可儘情发挥的PCB銲点，其后续的疲劳寿命将比载板銲点更可延长1.25-3倍之多。

图2、左二图说明应NSMD与SMD之不同设计及其残馀应力所造成镍面銲点的开裂情形。右显示SMD焊点受损之微现。

垫面ENIG处理层，由于会发生黑垫的麻烦，故不适于做为BGA的焊接用途。形成黑垫的主因是金水攻击较为老弱的化镍表面，以致置换过程镍层来不及溶走，却被快速沉积的金层所包围，而在内部继续氧化劣化而成为NixOy式的黑垫。

图3、左图说明载板腹底SMD垫面植球与绿漆受损等不良，右图为编者所补充之植球介面，由于多量助焊剂渗入以及绿漆与金面附著力不足之双重折磨，致使绿漆底下已有銲锡潜入，造成可靠度劣化之现象。

图4、此图说明超大空洞的球脚，将无法通过可靠度的测右为编者所补充无铅球脚与鍚膏，因SAC鍚膏吸水造成巨大空洞彼此推挤而在相邻球脚间形成短路之情形。

再者PCB板面之BGA球垫区域内或附近区域，最好不要设置PTH，以防锡膏熔焊中会往孔内流锡。至于具有垫内盲孔者则更容易引发焊点中的空洞，目前由于盲孔内空气所造成的额外空洞在前文中认为，此种额外空洞的允收可以另谈。事实上根本无法分清楚何者是锡膏有机物与水气或由盲孔造成之空洞。业界正在努力设法利用电镀铜方式将之塡平，目前口径2mil以下的盲孔已有成效，但5mil以上较大盲孔的塡平还很困难。

四、球脚鲜点之失效分析

(1)温度循环：

刻意使板面焊妥的BGA或CSP，通过各种高低温之多次热循环折磨，或热震灵后，其焊点经常自载板处发生断头，却较少发生PCB处之断脚。此乃出自剪力模式之失效。

图5、此为组装板经温度循环老化后，从渗红试验与微切片检查所见到銲点开裂的情形

(2)弯折试验：

当銲妥BGA或CSP之PCB板面，通过机械强迫性之弯折试验后，不但会出现断头而且也会发生断脚，其中尤以四个角落区域原本即已累积应力者，或板长方向所外列的球脚，也都很容易发生断头或断脚。若以PCB板面之贴装位置而言，此项试验以板中央容易弯折区最易失效。

图6、此为弯折试验后 ，从渗红试验与微切片检查所见到焊点 开裂的情形

(3)掉落试验：

当焊妥BGA或CSP手执电子品之组装板进行掉落试验时，其四角区也最容易断脚与断头。上述弯折试验与此处之掉落试验两者之失效机制，理论上均应属于撕起式模式。

图7、此为掉落试验后，从与微切片检查所见到焊点开裂的情形

为了减少各类手执电子品中BGA/CSP的球脚銲点开裂起见，美商Amkor曾于此等面积格列式元件四个角落的两侧，以沾胶的方式加强与板面之间的额外接著工程，特称为Corner Fill以代替昂贵覆晶封装的Under Fill做法。

图8、此四图均为美商Amkor公司对手机板常用各种CSP，建议改善其焊接后机械强度之"加角胶"做法。