2.1 疲劳失效的典型场景

元器件通过焊料连接到PCB上，焊点会受到元器件封装与PCB热膨胀失配的影响，也会受到不同连接材料热膨胀失配的影响。前者通常定义为整体热膨胀失配，后者定义为局部热膨胀失配。此外，还有一种热膨胀失配，就是焊料内不同金相组织的热膨胀失配，通常定义为内部热膨胀失配。这些热膨胀失配的类别其实就是焊点疲劳失效的典型场景，它们都可能导致焊点的疲劳失效，而整体热膨胀失配则是大多数焊点疲劳失效的主要机理。需要指出的是，这里使用“热膨胀失配”一词，主要是电子产品工作时温度都会升高，因此采用“热膨胀失配”一词。但应该理解，我们讨论的是温度循环，有升温，也有降温，降温时的收缩失配与升温时的膨胀失配一样，都会对焊点形成应力作用，只是方向相反而已。因此，在提到“热膨胀失配”一词时，应理解为它是膨胀失配与收缩失配的一个简化描述，其含义包括收缩失配这种情况。

2.1.1 整体热膨胀失配

整体热膨胀失配起因于电子元器件或连接器与PCB热膨胀失配，如图2-1所示。由于材料的CTE（热膨胀系数）以及有源器件内热能耗散造成的热梯度的差异，产生了这些热膨胀差别。

图2-2是CSP芯片焊接在FR-4基板上因温度循环而导致焊点失效的一个案例。失效原因是CSP芯片的CTE与FR-4基板的CTE相差较大，存在严重的整体膨胀失配情况，组件遭受温度循环时焊点不断受到周期性剪切应力的作用而疲劳失效。之所以焊点会受到剪切应力的作用，是元器件安装到PCB上所形成的互连结构导致的。元器件和PCB的刚度远大于焊点，热膨胀失配时，元器件与PCB的刚性约束使得绝大部分应力都作用到较软的焊点连接层。

2.1.2 局部热膨胀失配

当陶瓷封装类器件安装在陶瓷板上时（注意，这是高可靠产品非常典型的一种应用场景），主要的不匹配表现为局部热膨胀失配。局部热膨胀失配是由焊料和元器件基材或与其焊接的PCB的热膨胀不一致导致的，如图2-3所示。这些热膨胀的不一致起因于热量传递时焊料和基材的热膨胀系数（CTE）的差异。局部热膨胀失配通常小于整体热膨胀失配，这是因为最大润湿区尺寸要小得多，只有几百微米。

2.1.3 内部热膨胀失配

内部热膨胀失配通常指的是焊点内的不同金相组织的热膨胀失配，如锡/铅焊料内部富铅区域和富锡区域的CTE差异所造成的热膨胀失配。内部热膨胀失配通常是很小的，因为其作用距离就是晶粒的尺度，远小于润湿长度或元器件尺寸，但是内部热膨胀失配有时会成为不能忽略的影响因素，如在无铅BGA焊点中，界面双层IMC之间的不匹配往往是焊点失效的主要原因。 8N+js2gUjpwaQ6+vUDYV0jzAlWoKcsPapC+rxfbA7WISFU2xpkL7OfFzItHebYQI

2.2 疲劳失效的裂纹演进过程与特征

焊点的疲劳失效主要是由温度变化引起的（整体热膨胀失配引起的）。整体热膨胀失配使焊点受到剪切应力的作用，裂纹总是发生在焊点高度方向强度最薄弱或应力集中的地方（典型的场景是靠近阻焊定义的焊盘处）。还需要注意，特别是BTC类封装，由于中心部位的支撑作用以及大尺寸效应，封装本身的变形会对边特别是四角部位的焊点叠加拉应力，引起蠕变，这会严重地缩减焊点的疲劳寿命，也会影响焊点开裂裂纹的形貌。

2.2.1 片式元件焊点疲劳失效典型裂纹特征

片式元件焊点在温度变化时受到的是剪切应力。通常情况下，焊点的开裂从弯月面开始，沿着片式元件安装底部焊端扩展，直到完全断开，如图2-4所示。如果焊点外伸尺寸比较小，有时也会从底部向外扩展，这属于特例。

片式元件焊点的开裂，一般两端都可能出现裂纹。如果一端明显少锡或有明显的空洞、裂纹等缺陷，那么往往会发生单侧焊点的开裂。空洞对片式元件焊点而言是需要管控的项目。

2.2.2 翼形引脚焊点疲劳失效典型裂纹特征

翼形引脚也称为L形引脚，其焊点的疲劳寿命因引脚的缓冲作用往往比较长。标准的铜引脚塑封QFP通常在-45～125℃条件下的温度循环试验寿命超过1000次。焊点温度循环寿命取决于封装尺寸、引脚材质和引脚尺寸。

翼形引脚QFP的裂纹特征与扩展方向如图2-5所示。裂纹在引脚的根部萌生，并沿着引脚与焊点的界面扩展、延伸至焊点与焊盘的界面，直至焊点完全断裂。

通过红墨水染色分析可以看到，QFP在高低温度循环试验后的失效模式存在一个共性，即靠近封装体角部的引脚比边中间部分更容易发生焊点100%的断裂，如图2-6中柱形最高的部分引脚。这很好理解，距离零应力中心越远，焊点受到的应变幅度越大，因而总是先期失效。这也说明封装尺寸越大，焊点的温度循环寿命越短。

2.2.3 BGA焊点疲劳失效典型裂纹特征

BGA焊点的疲劳失效位置类似QFP，最容易出现在BGA的角部位置。疲劳裂纹一般较少会出现在IMC层，大多数情况下总是沿着IMC层外、靠近PCB侧或BGA侧开裂（这是裂纹最常出现的位置，因为PCB侧焊点的强度大于BGA侧），如图2-7所示，因为这是BGA焊球最薄弱的区域。如果PCB侧焊盘出现1/3部分的阻焊定义情况（焊盘连线比较宽），则裂纹往往从阻焊处发展，如图2-8（a）所示。在这种情况下，裂纹可能穿越IMC层，如图2-8（b）所示。

2.2.4 QFN焊点疲劳失效典型裂纹特征

QFN是BTC类封装的代表，虽然尺寸不大（IPC-7095C中所列的最大尺寸为12mm×12mm，实际上，我们经常用到的大多数的封装尺寸≤7mm×7mm），但是其温度循环试验寿命比较短，-45～125℃条件的温度循环试验寿命不超过500次。之所以如此，主要是因为QFN的封装结构。在温度变化时，焊点往往受到多轴应力的作用，这也导致QFN焊点的疲劳裂纹具有特殊的形貌——往往从IMC与焊料的界面断开，与热熔、振动等形成的裂纹类似；裂纹沿元件焊端开裂；裂纹往往从底部焊端中心部位开始发展（这点非常独特，在其他封装上很难看到），如图2-9所示。

2.2.5 CBGA焊点疲劳失效典型裂纹特征

陶瓷封装与塑料封装最大的不同是，除了CTE失配严重，还有一个不同是陶瓷封装的刚性要比塑料封装高，也比PCB高。在温度变化时，不仅会导致剪切应变，还会导致PCB的不平整。因而PCB的状态有3种类型，如图2-10所示。

（1）PCB平整，焊点受单纯的剪切应变。

（2）PCB负向弯曲（安装状态下四角/边翘起，一般称为负向弯曲，也称为笑脸弯曲）。

（3）PCB正向弯曲（安装状态下中心弓起，一般称为正向弯曲，也称为哭脸弯曲）。

这种弯曲特性会导致CBGA（陶瓷球栅阵列封装）焊点焊接及温度循环后的扭曲，如图2-11和图2-12所示。笔者把这种因PCB的变形而导致的焊点扭曲称为S变形，它反映了热膨胀失配的严重程度，但这种变形主要还是由温度循环形成的。在一般情况下，这种焊点的疲劳开裂也具有一定的规律，具体实例如图2-13所示。

2.2.6 CCGA焊点疲劳失效典型裂纹特征

为了解决陶瓷封装贴装在有机印制电路板并能适应各自热膨胀系数不同的需求，柱状焊料会被用作连接端子，如图2-14（a）所示。这种封装称为陶瓷柱栅阵列封装（CCGA）。CCGA端子的设计是CBGA的延伸，CCGA使用成分是Pb10Sn90的铸柱焊料，而不是高熔点的锡球，目的是获得更高的焊缝高度以及更柔软的互连，这种设计使得连接的可靠性显著增加。在最终电子产品中禁止含铅的应用场合，这种高铅合金也已经被无铅合金所取代。

CCGA焊点的柱状结构在整体CTE不匹配时，分散到层（设想把锡柱分割成许多薄层，每层的应变均匀分布）的应变通常比较小，因此CCGA焊点的疲劳寿命要比CBGA焊点高很多。由于柱状结构的特点，温度循环的初期往往表现为热变形，如图2-14（b）所示，最终失效仍然是焊点的开裂。必须指出的是，CCGA的疲劳寿命一定比CBGA高，较低的情况只发生在焊点不合格的情况下，即焊缝填充高度不足。CCGA的工艺核心就是必须确保足够的焊膏量。

2.2.7 通孔插装焊点疲劳失效典型裂纹特征

通孔插装焊点简称插装焊点，其裂纹特征主要与焊点的形貌有关，包括100%透锡和部分透锡的情况。

插装焊点的疲劳失效，由于其引线的缓冲作用，除了铁镍合金（如Fe42Ni58、可伐合金）的粗引脚封装，基本都由引脚与焊料、孔铜之间的局部CTE不匹配引起。在这种情况下，如果垂直填充达100%并形成弯月面，焊点开裂一般是从弯月面开始向内，并沿插孔孔壁或引脚与焊料的界面向内发展，如图2-15（a）所示；如果垂直填充不足100%，焊点开裂一般从焊料与引脚、孔壁的界面开始，并沿各自的界面向内扩展，如图2-15（b）所示。这些裂纹从焊点外面看，大多数呈现不规则的环状裂纹特征（有一个发育过程，起初可能是环状的部分），如图2-15（c）所示。

在实际的产品中，插装焊点的疲劳寿命要比贴片元件焊点高得多，它不会成为产品失效的引爆点，也较少会因为局部CTE不匹配而发生失效。如果发生早期失效，往往是整体的CTE不匹配、润湿不良或冷焊等造成的。整体CTE不匹配通常发生在元件引脚较粗硬的情况下。在这种情况下，焊点开裂的位置就不是上述看到的环状裂纹，而是单侧的开裂，如图2-16所示。

2.2.8 焊接工艺对裂纹特征的影响

图2-17展示的是Sn57.6Bi0.4Ag42合金焊接SAC305锡球BGA所形成的焊点，在经历了200次、500次和1000次热循环后的横截面显微分析。在200次循环时，就可以观察到细小的裂纹。在500次和1000次循环的试样中，可以观察到焊点上逐渐扩大的裂缝。这个裂缝位置在均匀成分焊点中很少见，它出现在靠近Sn-Bi焊料的界面IMC层中，如图2-18所示。ALPHA公司把这种断裂也归为脆性断裂。之所以如此，主要是因为随着温度循环次数的增加，Sn57.6Bi0.4Ag42合金的剪切强度劣化很快，成为焊点最弱的地方。ALPHA公司把它列为脆性断裂，可能是从断裂位置考虑的，但它仍然具有疲劳裂纹的特征——不可啮合性。与传统的脆断机理不同，这是一个累积的损伤过程，并非瞬时的开裂/断裂。

2.3 小结

我们介绍疲劳失效的场景及失效焊点的裂纹特征，主要目的是帮助读者了解并掌握疲劳失效的机理与特征。

（1）疲劳裂纹的产生与时间有关，都是经过一段时间的使用才发生的。在制造、运输过程中发生的焊点断裂通常不属于疲劳断裂，而属于超载应力作用下的断裂。

（2）疲劳裂纹大多数情况下具有不可啮合性，即裂纹上下侧在压合时不能完全地啮合。这是因为疲劳裂纹的产生机理是“蠕变/应力释放-增强疲劳”的累积损伤，疲劳过程伴随着再结晶的过程，金属原子在自由能降低的驱动下进行了新的排列。温度循环的幅度越大，裂纹“走样”越大，也越难以啮合。

（3）疲劳裂纹较少出现在界面金属间化合物（IMC）层，绝大多数情况下出现在靠近焊点界面IMC层的位置，或者焊点强度最薄弱的位置，或者应力集中的地方。这取决于焊点的形貌以及是否存在制造缺陷，如空洞、表面裂纹等。

以上三点是我们认定疲劳裂纹的主要依据，也是区分其与应力裂纹的依据。应力裂纹将在第3章中介绍。 8N+js2gUjpwaQ6+vUDYV0jzAlWoKcsPapC+rxfbA7WISFU2xpkL7OfFzItHebYQI