焊点可靠性研究

SMT焊點可靠性研究東莞新進電子有限公司SMT焊點可靠性研究前言近几年﹐隨著支配電子產品飛速發展的高新型微電子組裝技術--表面組裝技術(SMT)的飛速發展﹐SMT焊點可靠性問題成為普遍關注的焦點問題。為通孔組裝技THT(ThroughHoleTechnology)相比﹐SMT在焊點結構特征上存在著很大的差異。THT焊點因為鍍通孔內引線和導體犴焊后﹐填縫犴料為焊點提供了主要的機械強度和可靠性﹐鍍通孔外緣的犴焊圓角形態不是影響焊點可靠性的主要因素﹐一般只需具有潤濕良好的特征就可以被接受。但在表面組裝技術中﹐犴料的填縫尺寸相對較小﹐犴料的圓角(或稱邊堡)部分在焊點的電氣和機械連接中起主要作用﹐焊點的可靠性與THT焊點相比要低得多﹐犴料圓角的凹凸形態將對焊點的可靠性產生重要影響。另外﹐表面組裝技術中大尺寸元件(如陶瓷芯片載體)與印制線路板的熱膨脹系數相差較大﹐當溫度升高時﹐這種熱膨脹差必須全部由焊點來吸收。如果溫度超過犴料的使用溫度范圍﹐則在焊點處會產生很在的應力最終導致產品失效。對于小尺寸元件﹐雖然因材料的CTE失配而引起的焊點應力水平較低﹐但由于SnPb犴料在熱循環條件下的粘性行為(蠕變和應力松弛)存在著蠕變損傷失效。因此﹐焊點可靠性問題尤其是焊點的熱循環失效問題是表面組裝技術中丞待解決的重大課題。80年氏以來﹐隨著電子產品集成水平的提高,各種形式﹑各種尺寸的電子封裝器件不斷推出﹐使得電子封裝產品在設計﹑生產過程中,面臨如何合理地選擇焊盤圖形﹑焊點犴料量以及如何保証焊點質量等問題。同時﹐迅速變化的市場需求要求封裝工藝的設計者們能快速對新產品的性能做出判斷﹑對工藝參數的設置做出決策。目前﹐在表面組裝元件的封裝和引線設計﹑焊盤圖形設計﹑焊點犴焊量的選擇﹑焊點形態評定等方面尚未能形成合理統一的標准或規則﹐對工藝參數的選擇﹑焊點性能的評價局限于通過大量的實驗估測。因此﹐迫切需要尋找一條方便有效的分析焊點可靠性的途徑﹐有效地提高表面組裝技術的設計﹑工藝水平。SDL-39-16-01-00SMT焊點可靠性研究東莞新進電子有限公司研究表明﹐改善焊點形態是提高SMT焊點可靠性的重要途徑。90年代以來﹐並于焊點形成及焊點可靠性分析理論有大量文獻報導。然爾﹐這些研究工作都是專業學者們針對焊點可靠性分析中的局部問題進行的﹐尚未形成系統的可靠性分析方法﹐使其在工程實踐中的具體應用受到限制。因此﹐基于設計和控制SMT焊點形態是提高SMT焊點可靠性的重要途徑的思想﹐在進一步完善焊點形成及焊點可靠性分析理論基礎上﹐實現了焊點工藝參數設計到焊點形態預測﹐直至焊點可靠性分析的集成過程﹐實現SMT焊點形態優化系統﹐并建立實用化SMT焊點形態優化設計系統﹐對于減少SMT產品決策實驗工作量﹐提高決策效率和工藝設計水平﹐保証SMT焊點的可靠性具有重要的技術﹑經濟意義。1．問題描述1.1SMT及其焊點失效表面組裝技術(SurfaceMountTechnology)簡稱SMT是通過再流焊﹑氣相焊或波峰焊等軟犴焊方法將電子元件貼裝在印制板表面或基板上的微電子組裝技術。現傳統封裝形式相比﹐SMT具有體積小﹑重要輕﹑集成度高﹑可雙面封裝﹑易于實現自動化以及抗電磁干擾能力強等優點。組裝包括芯片內組裝(如將芯片封裝在基板上成為一個完整的表面組裝元件)和芯片外組裝(將表面組裝元件或單一元件器件封裝在印制板上)。按照封裝元件的類型﹐SMT包括無引線陶瓷芯片載體LCCC﹐方型扁平封裝QFP以及球柵陣列BGA等組裝形式﹐如圖1所示。SDL-39-16-02-00焊點可靠性研究東莞新進電子有限公司可見﹐在SMT封裝產品中﹐焊點是關鍵的組成部分﹐既要承載電氣暢通﹑雙要承載機械連接﹐因此﹐提高焊點可靠性是保証SMT產品質量的關鍵。SMT可靠性問題主要來自于生產組裝過程和服役過程中。在生產組裝過程中﹐由于焊前准備﹐焊接過程及焊后檢測等設備條件的限制﹐以及焊接規范選擇的人為誤差﹐常造成焊接故障﹐如虛焊﹑焊錫短路及曼哈頓現象等﹐約占SMT產品常見故障的85%﹐遠高于其它故障如器件或印制板故障。在實際工作中﹐SMT產品經常處于溫度波動的服役環境中﹐如計算機內電子組裝件經常經曆通斷電﹐電子元件和PCB板不斷被加熱和冷卻﹐由于材料間熱膨脹系數的差異﹐在焊點上必然產生熱應力﹐應力的大小和方向會隨著溫度的變化而變化﹐而造成焊點的疲勞損傷﹐SmPb犴料的熔點較低﹐焊點會產生明顯的粘性行為﹐即蠕變和應力松弛現象﹐Attarwala等人通過研究SnPb犴料斷口形貌得出﹐失效焊點斷口表面主要有表征疲勞斷裂的疲勞裂紋和表征蠕變斷裂的沿晶裂紋﹐說明焊點失效為蠕變--疲勞作用的結果。SMT焊點在服役條件下的可靠性問題﹐即在熱循環或功率循環中﹐由于芯片載體與基板之間的熱膨脹失配所導致的焊點的蠕變疲勞失效問題﹐是SMT領域丞待解決的重要問題﹐下文所指的SMT焊點可靠性即為SMT焊點在服役條件下的可靠性。1.2SMT焊點可靠性的影響因素研究表明﹐SMT焊點可靠性的影響因素主要有以下几個方面﹕1．材料因素裂紋的起裂與擴展是焊點失效的直接原因。犴料的微觀結構即犴料的組織結構﹑晶粒尺寸決定著犴料的變形機制﹑疲勞裂紋擴展機制﹐從而對焊點的可靠性有決定性影響。如圖2是改變犴料中Sn﹑Pb的配比所對應的不同犴料中含Sn量的增加﹐焊點疲勞壽命增加。適當添加合金元素﹐如Ag﹑Sb﹑Re等可在保証犴料的熔點低﹑潤濕性好﹐接頭強度高等優點的前提下﹐提高犴料的抗蠕變一疲勞性能﹐改善焊點可靠性。SDL-39-16-03-00SMT焊點可靠性研究東莞新進電子有限公司另外﹐由於元件與基板材料CTE不匹配導致焊點在熱循環過程中產生應力集中﹐是導致焊點裂紋的萌生與擴展的本質因素﹐因此﹐研制開發展適當的基板材料﹐減小電子元件與基板的熱脹系數差異﹐可抑制焊點的失效。2．內部缺陷SMT軟犴焊接頭因其微小的尺寸﹐復雜的焊接材料﹐產生缺陷的几率較大﹐主要有外觀缺陷﹐﹐如接頭外型不良﹑引線間的橋接﹑芯吸等﹐以及內部缺陷﹐如氣孔﹑有害金屬間化合物﹑虛焊等。這些缺陷的存在都對焊點的可靠性有致命的影響。目前存在的焊點缺陷檢測方法﹐很難檢測尺寸本來就十分微小的SMT焊點內部的更加微小的缺陷﹐因此﹐關于缺陷對SMT焊點可靠性影響的理論研究少有文獻報導。哈工大微連接實驗室初研究了不同尺寸球狀氣孔對接頭機械性能的影響﹐如圖3﹐曲線1表示接頭外邊緣線上的最大應力峰值的變化﹐曲線2表示氣孔周圍主應力值的變化﹐可見﹐由于氣孔的存在﹐SMT軟犴焊接頭的機械載強度明顯下降。3．服役條件SMT產品的可靠性很大程度上決定于服役條件如﹐環境溫度﹑周期性加載頻率等。Gregory等人模攤焊點熱循環的疲勞過程﹐考察了溫度﹑加載頻率對焊點疲勞壽命的影響﹐結果表明﹐隨著溫度的增加﹐焊點應變范圍增加﹐失效周期數降低。隨著加載頻率增加﹐焊點疲勞壽命降低。Tien等人的研究表明﹐焊點高溫保溫時間短﹐焊點內的應變恢復的多﹐將延長焊點疲勞壽命。保持時間長﹐由于蠕變的作用﹐可恢復應變少﹐增加了焊點內部應變﹐壽信口開合命降低。SDL-39-16-04-00SMT焊點可靠性研究東莞新進電子有限公司4．焊點形態SMT焊點形態即犴料受熱熔化以后﹐沿金屬表面潤濕鋪冷凝后形成的具有一定几何形狀的外觀形態﹐狹義上﹐即犴料圓角的凹凸形態﹐研究表明﹐SMT焊點形態影響焊點機械性能﹑應力應變及蠕變疲勞壽命等。如圖4是W.M.Sherry等人對84I/O非城堡型LCCC焊點的剪切性能在25℃進行實驗研究的結果。表明﹐焊點形態不同﹐焊點的室溫剪切性能不同﹐B型焊點的室溫剪切性能最好。M.K.Shah等人假設焊點犴料圓角形態為直線﹐采用線彈性FEM分析了片式電容焊點在(T=100℃)時的熱應力。結果表明﹐改變犴料圓角的高度﹑元件與基板的間隙高度以及元件在焊盤上的貼片位置﹐焊點的應力水平和分布狀態不同。E.Nicewarner對城堡型焊點熱循環壽命的試驗研究表明﹐焊點犴料圓角的差異可使焊點熱循環壽命的差異達6.5倍。犴料圓角呈凸形時﹐焊點熱循環壽命較高。哈爾濱工業大學王國忠等人對同種類型焊點的研究結果為平直型焊點可靠性較好。而R.W.Korb等人的研究指出﹐城堡型焊點犴料圓角的高度和長度大致相近時﹐焊點可靠性最好。目前﹐焊點形態對可靠性的影響規律尚不清楚﹐有待于進一步完善。1.3SMT焊點形態優化設計在上述影響SMT焊點可靠性的因素中﹐焊點的服役條件一般是難以改變的﹐提高SMT焊點可靠性主要從減少缺陷﹐開發新材料﹐改善焊點形態方面考慮。其中﹐減少缺陷的研究因為焊點尺寸非常微小﹐需要高精度的檢測設備﹐焊點分析的處理工藝復雜﹐按目前高精密檢測儀器發展水平很難進行。開發新材料即進行新型基板﹑材料的開發或新的犴料合金的設計﹐制造工藝復雜﹑價格昂貴﹐其實用性受到很大的限制。而通過合理設計焊點結構參數﹑SDL-39-16-05-00SMT焊點可靠性研究東莞新進電子有限公司改善焊點形態可有效改善焊點的力學性能﹐從而提高焊點的可靠性。目前﹐基于SMT焊點形態的焊點可靠性研究正方興未艾。1990年﹐美國Marquette大學的S.M.Heinrich等人提出了SMT焊點形態優化的計算機輔助設計思想﹐如圖5所示。設計者首先輸入影響焊點形態的有關參數(如犴料量﹑元件尺寸﹑焊盤伸出長度以及元件與焊盤的間隙高度等)﹐通過焊點形態預測型計算出焊點形態﹐然后利用所得結果進行可靠性(如熱循環下的應力﹑應變等)分析﹐獲得焊點的疲勞壽命﹐再以焊點疲勞壽命為判斷標准﹐反饋推出最佳的焊點形態﹐最佳的設計參數。進行SMT焊點形態優化的計算機輔助設計﹐可以把關于焊點形成的數值模攤﹑焊點力學性能的有限元分析以及焊點疲勞壽命預測集成起來﹐形成一完整的SMT焊點形態優化體系。應用于SMT工藝生產實踐中﹐可以在產品投入組裝前給予合理化建議﹐大大減少決策過程中的實驗工作量﹐有效提高SMT焊點的可靠性能。在國內外的有關文獻中﹐尚未見關于SMT焊點形態優化的計算機輔助設計研究的完整報導。2．國內外研究現狀2.1SMT焊點形態預測研究2.1.1SMT焊點形態建模基本方法精確預測焊點形態是SMT組裝工藝的一項關鍵技術。因為(1)可焊性測試(如潤濕平衡實驗)與焊點的几何形態密切相關﹔(2)導致低焊接生產率的接頭缺陷﹐如橋連﹑斷路等決定于焊點的形態﹔(3)焊點形態對服役條件下焊點的可靠性有重要影響。SDL-39-16-06-00SMT焊點可靠性研究東莞新進電子有限公司焊點形態的研究開始于80年代﹐主要建模方法為求解邊界值問題解法(簡BVP,BoundaryVolumeProblem)和數值分析方法。其中,BVP法通過給邊界值約束條件﹐建立焊點成形的微分方程﹐求解出焊點形態。BVP法預測結果精確﹐易于考察有關參數對焊點形態的影響規律。但一般用于焊點形態簡單﹐易于描述為數學微分方程的焊點類型。數值分析方法﹐即通過有限元法(簡稱FEM,FiniteElementsMethod),求解滿足相關約束條件的焊點三相系統能量的最小值﹐給出焊點形態。FEM法預測結果是近似解﹐通過單元類型的選擇和數目的增加逐漸精確。FEM法可用于復雜焊點形態的求解中。近些年來﹐隨著SMT新型焊點的不斷增加﹐焊點形態預測的研究取得了許多新的進展﹐BVP法和FEM法廣泛應用于焊點二維形態模型﹑軸對稱焊點形態模型及焊點三維形態模型中2.1.2焊點二維形態預測許多關于焊點二維形態的研究文獻出現于1986~1993年間﹐其中﹐比較有代表性的是美國Marquette大學S.M.Heinrich《2》等人的研究工作。Heinrich基于“接觸角為銳角”的假設﹐建立了預測片式元件焊點二維形態模型﹐如圖6所示﹐基于流體液面上點的受力平衡的Laplace---Young方程和流體靜壓方程﹐提出了控制液面形態的微分方程﹕利用上述方程的解析結果﹐考察了無限鋪展條件下犴料密度(ρ)/表面張力(γ)﹑犴料量(A)﹑潤濕角(Θ1﹐Θ2)對焊點的高度(h)﹑長度(1)及犴料圓角形態y(x)的影響。SDL-39-16-07-00SMT焊點可靠性研究東莞新進電子有限公司