BGA二次回流后焊球"選擇性"開裂？VIPPO埋通孔設(shè)計暗藏?zé)崴毫严葳澹?/h1>

發(fā)布時間： 2026-05-28 00:00

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1.先看現(xiàn)象：開裂具有高度"選擇性"

失效樣品切片后在光學(xué)顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)了三個極具規(guī)律性的特征：

• 開裂焊球僅3顆，且每一顆的正下方都存在埋通孔（Via-in-Pad）結(jié)構(gòu)；

• 開裂位置全部位于BGA器件側(cè)——具體在靠芯片一側(cè)的IMC與焊錫之間，而PCB側(cè)焊接界面完好無損；

• 其余無埋通孔結(jié)構(gòu)的焊球全部正常，無任何開裂跡象。

PS：作為對照，同時檢測了4片正常樣品（A/C/D/E，同批次且焊接后未失效），結(jié)果顯示：所有正常樣品的焊球完好，且焊球下方均無埋通孔結(jié)構(gòu)。

結(jié)論：

焊球開裂與埋通孔結(jié)構(gòu)存在強相關(guān)性，失效具有明確的位置選擇性。

2.排除常見干擾因素：器件翹曲？局部受熱不均？

① 焊球高度測量 → 排除器件翹曲變形

如果BGA器件在回流過程中發(fā)生明顯翹曲，不同位置的焊球會被拉伸或壓縮，導(dǎo)致高度出現(xiàn)顯著差異。我們對失效樣品（共15顆焊球）及正常樣品進行了高度統(tǒng)計：

PS：兩者差異微乎其微；同時，失效樣品內(nèi)部開裂焊球與未開裂焊球的高度也基本一致。

結(jié)論：

排除器件翹曲變形導(dǎo)致焊球開裂的可能。

② IMC厚度測量 → 排除局部受熱不均

我們分別測量了失效樣品開裂焊球、失效樣品正常焊球，以及正常樣品焊球的PCB側(cè)IMC厚度：

PS：焊點界面IMC（金屬間化合物）的厚度是反映焊接熱輸入的敏感指標(biāo)，如果某顆焊球局部受熱異常，其IMC厚度會明顯偏離其他焊球，三者非常接近，說明開裂焊球并未經(jīng)歷異常的局部熱輸入。但值得注意的是，三個數(shù)值均偏厚（通常BGA焊點理想IMC厚度在1~3 μm范圍），提示整體焊接熱輸入偏高——但這屬于另一工藝問題，并非導(dǎo)致本次選擇性開裂的直接原因。

結(jié)論：

開裂與局部受熱不均無關(guān)，焊球開裂是在相對一致的熱環(huán)境下發(fā)生的。

3.鎖定關(guān)鍵特征：開裂界面呈現(xiàn)"退潤濕"形貌

通過掃描電鏡（SEM）對開裂焊球進行高倍形貌觀察，并結(jié)合能譜（EDS）分析界面成分，失效機理逐漸清晰：

• 開裂位置：位于BGA側(cè)鎳層表面形成的IMC與焊錫之間。

• 形貌特征：焊錫側(cè)大面積無明顯IMC生成，呈現(xiàn)典型的"退潤濕"（De-wetting）特征——焊錫曾經(jīng)與IMC層形成過接觸，但在后續(xù)過程中發(fā)生回縮、脫離，冷卻后再也未能重新鋪展?jié)櫇瘛?/p>

• PCB側(cè)：IMC形貌正常，呈連續(xù)扇貝狀，無異常。

• 成分分析：開裂界面僅檢測到C、O、Ni、Sn、Cu等常規(guī)元素，未發(fā)現(xiàn)鹵素、硫等異常雜質(zhì)。

PS：正常樣品的焊球兩側(cè)IMC均發(fā)育正常，無任何退潤濕跡象。

結(jié)論：

開裂發(fā)生在二次回流過程中。當(dāng)焊錫處于熔融或半熔融狀態(tài)時，與BGA側(cè)IMC界面發(fā)生脫離；由于IMC本身潤濕性較差，后續(xù)再次接觸時已無法形成有效冶金結(jié)合，最終留下開裂縫隙。這種在凝固階段因應(yīng)力回縮導(dǎo)致的界面分離，正是熱撕裂（Hot Tear）的典型微觀表現(xiàn)。

VIPPO結(jié)構(gòu)從下到上依次是：

PCB樹脂基材 → 孔壁鍍銅 → 孔內(nèi)填平 → 焊盤銅箔 → 焊球。

問題出在材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）失配：

銅的CTE ≈ 17 ppm/℃

PCB樹脂（FR4）的CTE ≈ 45 ppm/℃（Z向）

在二次回流升溫過程中，當(dāng)溫度升至約215℃（接近焊錫熔點）時，樹脂的膨脹量遠(yuǎn)大于銅，由于VIPPO焊盤下方正是埋通孔區(qū)域，樹脂向上膨脹會推動焊盤中心變形，在焊球與焊盤界面處產(chǎn)生分離應(yīng)力，此時焊錫處于半熔融或剛?cè)廴诘拇嗳鯛顟B(tài)，界面處的IMC與焊錫發(fā)生分離——即"熱撕"。

溫度繼續(xù)升至~240℃焊錫完全熔融時，焊球雖重新液化，但由于界面已經(jīng)分離，且IMC本身潤濕性較差，熔融焊錫無法重新鋪展并潤濕已暴露的IMC表面，正如原文所述："因熱膨脹系數(shù)差異造成的中間空間開始逐漸縮小，由于IMC本身潤濕性差，再次接觸無法形成有效潤濕。" 降溫凝固后，這個分離界面便永久保留為開裂縫隙。

這與前文SEM觀察到的"退潤濕"形貌完全吻合：焊錫曾經(jīng)與IMC接觸，但在熱應(yīng)力下回縮脫離，冷卻后再也未能重新結(jié)合。

1. 工藝端：回流過程使用氮氣保護

   氮氣環(huán)境能改善焊錫潤濕性，并減少界面氧化風(fēng)險。即使在二次回流中焊球與IMC發(fā)生瞬時分離，氮氣也有助于熔融焊錫在凝固前重新鋪展，提高界面愈合的概率。

2. 結(jié)構(gòu)端：點膠局部強化

   對關(guān)鍵BGA區(qū)域采用點膠方式進行局部機械加固。膠粘劑可約束二次回流過程中的局部變形，直接減小VIPPO焊盤鼓出導(dǎo)致的界面拉應(yīng)力。（注：原文明確為"點膠方式局部強化"，與整板Underfill工藝不同）

3. 設(shè)計端：盡量避免VIPPO結(jié)構(gòu)

   如果PCB布線密度允許，優(yōu)先采用傳統(tǒng)的Dog-Bone走線，將通孔避開焊盤正下方。這是從源頭消除CTE失配應(yīng)力的最根本方法。