电路板銲点强度之老化与劣化

一、銲点的老化

完成焊接后其銲点主体合金之结晶组织，事实上并不就此稳定会随著时间而逐渐变大，以减少众多疆界所造成的内应力〈通常疆界为杂质的集中地、能量较高、稳定度很差）。即使在室温中其实即已超过了常见共熔合金所需的再结晶温度。由于晶粒变大疆界变少，故疆界中的杂质浓度也就相对升高了。  一旦当銲点的Fatigue life已消耗掉25%时，将会有Microvoid在疆界中出现。而当疲劳寿命消耗掉40%时，还会进一步劣化而产生Microcrack，致使銲点又更加衰弱了。

二、 CTE的失配

一旦焊接三成员〈引脚、銲料、垫面）其总体性热胀系数的CTE-mismatch落差较大时，则其銲点强度的劣化还会加速，例如：陶瓷BGA本身的CTE为2ppm/℃，但FR-4电路板的CTE却为14 ppm/℃ ，两者间的焊接强度就不易很好，下图即为明显二例。至于局部性的CTE失配也常会发生，如铜材的17 ppm/℃，陶瓷的18 ppm/℃，Alloy42的20 ppm/℃，但比起上述总体性失配的效果，当然要轻微一些。有时甚至连十分均质的Sn63/Pb37，其组织中的多锡区与多铅区（两者之间也会出现6 ppm/℃的内在CTE-mismatch。

图1、说明脚顶与载板之分裂，是出自热胀系数CTE失配落差太大所致。

三、失效模式范例

此处共搜罗了7种失效模式，并附上图片以供读者按图索骥而较容易找出问题的真相，现分述于后：

(1）冷焊

指Reflow过程中，球脚下PCB垫面的锡膏，由于热量不足而并未完全与球体熔合。此时之球面会呈现粗糙之颗粒状外表，且还会出现缩颈的现象，通常以腹底的内球较容易发生冷焊。

(2)、焊垫本身不沾锡

指电路板BGA区的球垫表面遭到异物的污染，以致锡膏无法与底垫发生焊接的反应，在无法吃锡之下其锡膏即被球脚所熔融吸走而呈现开路。不过此现象有时也可能因载板弯翘而吊脚所致。当PCB垫面採用ENIG时，其中的化镍层一旦发生黑垫病徵者，也会呈现相同的不良情形。

图2、左为典型冷焊之球脚；右图为编者所补充，可清楚见到底垫处并未熔鍚。

(3)、落球

指BGA元件之先前植球不牢，在下游组装焊接中又被再次加热，以及受到外力拉扯而自其颈部分离，是热机应力所造成。但PCB的足部垫面却经常焊得很好而较少发生缺失。

图3、图说明PCB垫面焊性不良，右图为ENIG发生黑垫时也会使球脚自垫面浮起。

图4、此图说明BGA元件在PCB垫面熔焊时，由于顶部銲点强度不足，以致球脚被PCB所拉下而成为开路

(4)失球

载板植球的过程中其球脚并未植牢，或后来又受到外力的撞击而失球。此种缺点很容易自X-Ray或系统或线路测试（ICT）中所发现，但若只做为散热或共同接地无关紧要之内球，则又另当别论。

图5、图为在PCB板面组装前就已失落球脚者。

图6、此为说明强热中BGA载板发生向上弯翘的示意图。

(5)载板'弯翘

事实上未来之无铅焊接热量大增中，不但大型PCB会发生弯翘，连有机载板本身也难逃上翘之变形，并还迫使腹底球脚也随高矮起伏不定，下图即为编者所补充说明者。

载板的板材虽为Tg180的BT树脂，但却与内封所载晶片之CTE相差很大；因而当受到无铅太多的热量时，载板就会发生向上弯翘的异常，致使四角的球脚出现被拉长或吊脚悬空等现象。即使焊牢也将因应力与拉长下，造成焊接触面积变小而强度不足，使得设计者连四角都不敢再安置球脚1/0 ，大型BGA最容易发生此种异常现象。

图7、此三图为大型BGA载板遭受强热后变形现象

图8、此图说明BGA外围角球受到外力伤害而发生焊垫浮起的灾情。右为熔焊中受到干扰后未能回正的画面。

(6)机械外力之损伤

电路板组装或测试时经常会遭到意外的损伤，而且当BGA变得很大时， 在其测试中也会造成球脚的外伤，进而会影响后续銲点的强度。甚至完成PCBA的组装后，仍会不小心受到外力的衝撞，有时连PCB板面铜垫也遭猛力拉起而浮离。为了保险起见，可採塡底胶或四角另加角胶做为保固手段，甚至加大角垫面积或变为椭圆形长垫等补强做法，但因设计者只会使用现成的商用软体，故此法不易实施。

(7)熔焊热量不足

当腹底内球所吸收热量不足时，则球体本身无法融熔成为液状，以致无法与锡膏癒合者，其外形将难以呈现正常变扁变矮之常态，下图即为典型的例子。

图9、左图说明死角各内球脚吸热不足时，则体积较大的球脚并未全熔，以致无法与锡膏癒合，而呈现各自熔融的状态。右图脚底处开裂后各自进一步再癒合的剖面图。