BGA焊球剪切力怎么测试？矩阵自动定位与批量剪切方法解析

BGA（Ball Grid Array）封装底部通常分布几十至数百颗焊球。在封装制造、回流焊及后续机械载荷作用下，焊球连接区域可能出现焊料断裂、界面分离、焊盘剥离等失效。

对于少量焊球，可以采用逐颗定位方式完成Ball Shear测试。但面对规则排列的BGA焊球阵列，如果需要连续测试几十甚至上百个位置，逐颗人工定位不仅测试时间较长，测试位置与数据之间的对应关系也需要人工整理。

 

针对这一问题，可以利用自动推拉力测试机建立BGA焊球矩阵，通过自动定位、连续剪切和测试数据对应记录完成批量Ball Shear测试。

本文结合科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机，介绍BGA焊球剪切测试原理、参考标准、测试参数及矩阵自动批量测试方法。

一、BGA焊球剪切测试是什么？

BGA焊球剪切测试（Solder Ball Shear / Ball Shear）主要用于测量焊球及其连接界面承受剪切载荷时的机械强度。

测试时，将BGA样品固定在测试平台上，剪切刀移动至目标焊球侧面，并下降至设定的剪切高度。随后刀具沿水平方向加载，直至焊球发生剪切失效。

测试过程中主要记录：

最大剪切力；

力—位移曲线；

焊球测试位置；

失效模式。

完成测试后，还需要结合焊球及焊盘残留形貌，观察具体破坏位置，例如焊料内部断裂、焊球与焊盘界面分离以及焊盘剥离等。

因此，Ball Shear测试并不是简单地将焊球“推掉”，而是通过剪切力数据与失效位置分析焊球连接状态。

二、BGA焊球剪切测试参考标准

BGA焊球及相关微电子互连结构的机械强度测试，可根据产品结构和测试对象参考以下标准：

1. JEDEC JESD22-B117A《Solder Ball Shear》

主要针对封装器件的焊球剪切测试，可用于Solder Ball机械剪切能力及失效模式评价，是BGA焊球Ball Shear测试常用的参考方法之一。

2. GB/T 35005-2018《集成电路倒装焊试验方法》

适用于陶瓷封装或塑料封装的倒装焊单片集成电路，其中包含凸点剪切力等试验方法，可用于相关凸点互连结构的机械性能测试。

3. ASTM F1269《Standard Test Methods for Destructive Shear Testing of Ball Bonds》

针对Ball Bond破坏性剪切测试，主要应用于金线、铜线等形成的第一焊点剪切评价。其测试对象与BGA底部锡焊球存在区别，在涉及相关Ball Bond结构时可作为参考。

4. MIL-STD-883 Method 2019《Die Shear Strength》

主要针对微电子器件Die Attach芯片剪切强度测试。如果BGA封装还需要评价内部芯片与基板之间的机械结合强度，可参考该方法。

对于BGA底部焊球剪切测试，应根据具体产品规范确定剪切速度、剪切高度、刀具尺寸及测试数量等参数。

三、BGA焊球剪切测试需要注意哪些参数？

1. 剪切高度

剪切高度决定推刀与焊球的接触位置。

位置过高可能使焊球产生较明显的弯曲；位置过低则可能造成刀具与焊盘、基板发生干涉。

因此，需要根据焊球直径、高度以及对应测试方法设置剪切位置，并保证同批样品测试条件一致。

2. 剪切刀具

刀具宽度需要与焊球尺寸和Pitch匹配。

对于细间距BGA、FBGA等产品，还需要避免刀具在移动和剪切过程中接触相邻焊球。

3. 剪切速度

剪切速度也是Ball Shear测试条件之一。不同速度可能影响载荷变化及最终失效状态，因此进行批次比较时，应保持测试速度一致。

4. 测试量程

不同直径、焊料体系和封装结构的焊球，其剪切力范围存在差异。

测试前应根据预计失效载荷匹配相应量程，使焊球剪切过程处于合适的测量范围内。

四、为什么BGA适合采用矩阵自动剪切？

BGA与普通单点焊接结构不同，其焊球通常按照固定Pitch形成规则的二维阵列。

例如：

A1 → A2 → A3 → A4
B1 → B2 → B3 → B4
C1 → C2 → C3 → C4

如果需要测试50颗焊球，采用人工方式就需要重复完成50次定位、对刀、剪切和数据记录。

而BGA规则排列的结构特征，使这些焊球位置可以转换为XY测试坐标。

以Alpha-W260自动推拉力测试机为例，在测试BGA阵列时，可以根据焊球的行列数量、Pitch及测试区域建立测试矩阵，再按照设定顺序连续执行Ball Shear测试。

这样，测试方式就由：

人工寻找焊球 → 单颗剪切 → 人工寻找下一颗

转变为：

建立矩阵 → 自动定位 → 连续剪切 → 数据自动记录

更适合多焊球、批量化的剪切测试。

五、BGA矩阵自动剪切测试步骤

步骤1：固定样品

将BGA器件安装在测试夹具或工作平台上，确认样品在连续剪切过程中不会发生移动。

步骤2：设置Ball Shear参数

根据焊球尺寸及测试要求设置测试量程、剪切速度、剪切高度和刀具规格。

在开始批量测试前，可以先选择少量焊球进行试测，确认刀具位置及测试参数。

步骤3：建立焊球测试矩阵

根据BGA焊球行列、Pitch和测试区域建立测试坐标，并确定测试顺序。

对于需要视觉辅助定位的样品，Alpha-W260还可配置智能视觉定位功能，通过样品上的形状、图案或标记建立参考位置，完成测试程序对位。

步骤4：执行自动批量剪切

完成程序设置后，设备按照预设矩阵依次执行：

自动定位 → 刀具下降 → 剪切加载 → 数据采集 → 刀具退回 → XY移动 → 下一焊球测试。

单颗焊球的Ball Shear测试方法没有改变，区别在于多个测试点由程序连续执行，减少重复人工定位操作。

步骤5：测试数据对应记录

每完成一个测试位置，相应的剪切数据同步保存。

例如：

A1 → 剪切力数据
A2 → 剪切力数据
A3 → 剪切力数据
B1 → 剪切力数据

测试结束后，可以按照焊球位置查看相应测试结果，并进一步进行数据统计、结果分类及报告输出。

六、BGA焊球剪切结果怎么看？

对于单颗Ball Shear测试，最大剪切力是最直接的数据。

但在BGA矩阵批量测试中，还可以进一步比较不同焊球位置之间的数据差异。

主要包括三个方面：

**最大剪切力：**评价单颗焊球发生剪切失效时的载荷。

**数据一致性：**比较同一BGA不同位置以及不同批次样品的剪切力分布，观察是否存在明显异常低值或离散。

**失效模式：**观察测试后的焊球和焊盘状态，区分焊料内部断裂、连接界面分离、焊盘剥离等破坏形式。

因此，对于BGA阵列，更完整的Ball Shear测试结果可以按照：

焊球位置 + 最大剪切力 + 力—位移曲线 + 失效模式

进行对应分析。

七、结语

BGA焊球数量多、排列规则，单颗Ball Shear可以评价单个连接点的机械强度，而矩阵自动测试则更适合多点和批量测试场景。

科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机可根据BGA焊球阵列建立测试矩阵，通过自动定位、连续剪切和数据对应记录完成批量Ball Shear测试，并结合最大剪切力、力—位移曲线及失效模式，对不同位置焊球的机械连接状态进行分析。

对于BGA焊球剪切测试、Ball Shear测试、BGA矩阵自动测试、焊球批量剪切及推拉力测试机等应用，可根据实际焊球尺寸、Pitch、预计力值及测试数量进一步确定测试方案。

审核编辑 黄宇