隨著汽車電子向智能化,、網(wǎng)聯(lián)化方向快速發(fā)展,，電子控制單元(ECU),、高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)等關(guān)鍵模塊對可靠性的要求日益嚴苛。其中,，球柵陣列(BGA)封裝作為高密度互連的主流技術(shù)，其焊點在及端溫度環(huán)境下的可靠性問題已成為行業(yè)關(guān)注的焦點。特別是在寒區(qū)或高海拔地區(qū),，-40℃的低溫沖擊會導(dǎo)致BGA焊點產(chǎn)生多種失效模式，嚴重影響汽車電子系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性與行車安全,。

科準(zhǔn)測控技術(shù)團隊基于多年實驗數(shù)據(jù)與案例分析發(fā)現(xiàn),，超過60%的汽車電子BGA失效案例與低溫環(huán)境相關(guān),。本文將從失效機理、實驗方法,、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及優(yōu)化方案四個維度,，系統(tǒng)解析-40℃冷沖擊下BGA焊點的斷裂行為，并介紹科準(zhǔn)測控在相關(guān)檢測領(lǐng)域的解決方案,，為汽車電子設(shè)計與品質(zhì)控制提供技術(shù)參考,。

一、BGA焊點低溫失效原理

1,、熱機械應(yīng)力耦合效應(yīng)

BGA焊點在低溫沖擊下的失效本質(zhì)上是熱-力-材料多物理場耦合作用的結(jié)果,。當(dāng)溫度驟降至-40℃時，器件,、焊料與PCB基板因熱膨脹系數(shù)(CTE)差異產(chǎn)生顯著應(yīng)變：

陶瓷或硅器件：CTE≈6 ppm/℃

SnAgCu焊料：CTE≈22 ppm/℃

FR-4基板：CTE≈16 ppm/℃

這種CTE失配導(dǎo)致界面處產(chǎn)生剪切應(yīng)力,，經(jīng)有限元分析計算，焊點邊緣的馮·米塞斯應(yīng)力可達200MPa,，遠超SAC305焊料的屈服強度(約50MPa),。

2、材料性能低溫劣化

金屬間化合物(IMC)脆化：在-40℃下,，Cu?Sn?等IMC層的斷裂韌性下降40%以上,，裂紋易沿IMC/焊料界面擴展。

β-Sn相變：低溫促使焊料中β-Sn相從韌性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詨K狀結(jié)構(gòu),，抗蠕變能力顯著降低,。實驗數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)1000次冷熱循環(huán)后,，焊料晶界高角度比例從初始的10.74%激增至72.43%,，加速晶界滑移導(dǎo)致的斷裂。

3,、典型失效模式

二,、實驗方法和標(biāo)準(zhǔn)

1、實驗方法

冷熱沖擊試驗：依據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)（溫度范圍-65℃~+125℃,，停留15分鐘/循環(huán)）,，模擬及端溫度梯度對BGA焊點的影響。600次循環(huán)后,，切片分析顯示焊點空洞率顯著增加,，裂紋集中于IMC層界面。推力測試：低溫沖擊后,，焊點與基板的平均推力下降30%~50%,，驗證了界面結(jié)合力的劣化。

2,、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

引用ISO 16750-3：規(guī)定汽車電子設(shè)備需通過-40℃低溫貯存及運行試驗,，驗證焊點在及端環(huán)境下的可靠性,。GB/T 28046：要求焊點在高低溫交變（-40℃~+85℃）下無電氣性能退化，確保長期耐久性,。

三,、關(guān)鍵測試儀器與工具

1、冷熱沖擊試驗系統(tǒng)

參數(shù)：-70℃~+150℃(液氮制冷),，轉(zhuǎn)換時間<10s

符合標(biāo)準(zhǔn)：IEC 60068-2-14

2,、Alpha w260推拉力測試機

功能：可進行推力、剪切力,、剝離力測試

A,、設(shè)備介紹

Alpha-W260自動推拉力測試機用于為微電子引線鍵合后引線焊接強度測試、焊點與基板表面粘接力測試及其失效分析領(lǐng)域的專用動態(tài)測試儀器,，常見的測試有晶片推力,、金球推力、金線拉力等,，采用高速力值采集系統(tǒng)。根據(jù)測試需要更換相對應(yīng)的測試模組,系統(tǒng)自動識別模組,，并自由切換量程,。

B、推刀

C,、常用工裝夾具

3,、輔助設(shè)備

金相顯微鏡(裂紋觀測)

掃描電鏡(SEM/EDS分析)

X-ray檢測儀(空洞率測量)

四、標(biāo)準(zhǔn)測試流程

步驟一,、預(yù)處理

樣品在25℃/60%RH條件下穩(wěn)定24h

X-ray初檢排除制造缺陷

步驟二,、冷熱沖擊試驗

步驟三、中期檢測

 每100次循環(huán)后進行：

 電性能測試(導(dǎo)通電阻)

 X-ray檢測(空洞發(fā)展)

 抽樣切片分析(裂紋擴展)

步驟四,、最終分析

利用推拉力測試機進行推力測試(對比初始值下降率)

SEM觀察斷裂形貌

失效模式統(tǒng)計(Weibull分析)

五,、優(yōu)化方案與案例

1、材料改進實例

高銀焊料應(yīng)用：

某ECU廠商將SAC305(Sn96.5Ag3.0Cu0.5)改為SAC405(Ag4.0%)后：

IMC層厚度減少30%

-40℃沖擊后推力保持率從65%提升至82%

但成本增加約15%

2,、結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

底部填充工藝：

使用Henkel EP3-10HT環(huán)氧樹脂：

焊點應(yīng)變降低50%以上

2000次循環(huán)后失效比例<5%

需注意返修困難問題

3,、銅柱陣列設(shè)計

在BGA焊點中植入直徑0.2mm銅柱：

CTE失配應(yīng)力下降40%

熱阻降低15%

適用于ADAS等高性能模塊

以上就是小編介紹的有關(guān)于汽車電子BGA焊點在-40℃冷沖擊下斷裂的失效模式相關(guān)內(nèi)容了，希望可以給大家?guī)韼椭?！如果您還想了解更多BGA封裝料件焊點的可靠性測試方法,、視頻和操作步驟，推拉力測試機怎么使用視頻和圖解,，使用步驟及注意事項,、作業(yè)指導(dǎo)書，原理,、怎么校準(zhǔn)和使用方法視頻,，推拉力測試儀操作規(guī)范,、使用方法和測試視頻 ，焊接強度測試儀使用方法和鍵合拉力測試儀等問題,，歡迎您關(guān)注我們,，也可以給我們私信和留言，【科準(zhǔn)測控】小編將持續(xù)為大家分享推拉力測試機在鋰電池電阻,、晶圓,、硅晶片、IC半導(dǎo)體,、BGA元件焊點,、ALMP封裝、微電子封裝,、LED封裝,、TO封裝等領(lǐng)域應(yīng)用中可能遇到的問題及解決方案。