焊点可靠性研究详解.docx

SMT 焊点可靠性研究 前言 前言 近几年﹐随着支配电子产品飞速发展的高新型微电子组装技术--表面组装技术(SMT)的 飞速发展﹐SMT 焊点可靠性问题成为普遍关注的焦点问题。 与通孔组装技术 THT(Through Hole Technology)相比﹐SMT 在焊点结构特征上存在着很大的差异。THT 焊点因为镀通孔内引线和导体铅焊后﹐填缝铅料为焊点提供了主要的机械强度和可靠性﹐镀通孔外缘的铅焊圆角形态不是影响焊点可靠性的主要因素﹐一般只需具有润湿良好的特征就可以被接受。但在表面组装技术中﹐铅料的填缝尺寸相对较小﹐铅料的圆角(或称边堡)部分在焊点的电气和机械连接中起主要作用﹐焊点的可靠性与 THT 焊点相比要低得多﹐铅料圆角的凹凸形态将对焊点的可靠性产生重要影响。 另外﹐表面组装技术中大尺寸组件(如陶瓷芯片载体)与印制线路板的热膨胀系数相差较大﹐当温度升高时﹐这种热膨胀差必须全部由焊点来吸收。如果温度超过铅料的使用温度范围﹐则在焊点处会产生很大的应力最终导致产品失效。对于小尺寸组件﹐虽然因材料的 CTE 失配而引起的焊点应力水平较低﹐但由于 SnPb 铅料在热循环条件下的粘性行为(蠕变和应力松弛)存在着蠕变损伤失效。因此﹐焊点可靠性问题尤其是焊点的热循环失效问题是表面组装技术中丞待解决的重大课题。 80 年代以来﹐随着电子产品集成水平的提高,各种形式﹑各种尺寸的电子封装器件不断推出﹐使得电子封装产品在设计﹑生产过程中,面临如何合理地选择焊盘图形﹑焊点铅料量以及如何保证焊点质量等问题。同时﹐迅速变化的市场需求要求封装工艺的设计者们能快速对新产品的性能做出判断﹑对工艺参数的设置做出决策。目前﹐在表面组装组件的封装和引线设计﹑焊盘图形设计﹑焊点铅料量的选择﹑焊点形态评定等方面尚未能形成合理统一的标准或规则﹐对工艺参数的选择﹑焊点性能的评价局限于通过大量的实验估测。因此﹐迫切需要寻找一条方便有效的分析焊点可靠性的途径﹐有效地提高表面组装技术的设计﹑工艺水 平。 研究表明﹐改善焊点形态是提高 SMT 焊点可靠性的重要途径。90 年代以来﹐关于焊点形成及焊点可靠性分析理论有大量文献报导。然而﹐这些研究工作都是专业学者们针对焊点 可靠性分析中的局部问题进行的﹐尚未形成系统的可靠性分析方法﹐使其在工程实践中的具体应用受到限制。 因此﹐基于设计和控制 SMT 焊点形态是提高 SMT 焊点可靠性的重要途径的思想﹐在进一步完善焊点形成及焊点可靠性分析理论基础上﹐实现了焊点工艺参数设计到焊点形态预测 1．问题描述﹐直至焊点可靠性分析的集成过程﹐实现 SMT 焊点形态优化系统﹐并建立实用化 SMT 焊点形态优化设计系统﹐对于减少 SMT 产品决策实验工作量﹐提高决策效率和工艺设计水平﹐ 保证 SMT 1．问题描述 SMT 及其焊点失效 表面组装技术(Surface Mount Technology)简称 SMT 是通过再流焊﹑气相焊或波峰焊等软铅焊方法将电子组件贴装在印制板表面或基板上的微电子组装技术。与传统封装形式相比 ﹐SMT 具有体积小﹑重要轻﹑集成度高﹑可双面封装﹑易于实现自动化以及抗电磁干扰能力强等优点。 组装包括芯片内组装(如将芯片封装在基板上成为一个完整的表面组装组件)和芯片外组装(将表面组装组件或单一组件器件封装在印制板上)。按照封装组件的类型﹐SMT 包括无引线陶瓷芯片载体 LCCC﹐方型扁平封装 QFP 以及球栅数组 BGA 等组装形式﹐如图 1 所示。 可见﹐在 SMT 封装产品中﹐焊点是关键的组成部分﹐既要承载电气畅通﹑又要承载机械连接﹐因此﹐提高焊点可靠性是保证 SMT 产品质量的关键。 SMT 可靠性问题主要来自于生产组装过程和服役过程中。在生产组装过程中﹐由于焊前准备﹐焊接过程及焊后检测等设备条件的限制﹐以及焊接规范选择的人为误差﹐常造成焊接故障﹐如虚焊﹑焊锡短路及曼哈顿现象等﹐约占SMT 产品常见故障的 85% ﹐远高于其它故障如器件或印制板故障。 在实际工作中﹐SMT 产品经常处于温度波动的服役环境中﹐如计算器内电子组装件经常经历通断电﹐电子组件和PCB 板不断被加热和冷却﹐由于材料间热膨胀系数的差异﹐在焊点上必然产生热应力﹐应力的大小和方向会随着温度的变化而变化﹐而造成焊点的疲劳损伤﹐ SnPb 铅料的熔点较低﹐焊点会产生明显的粘性行为﹐即蠕变和应力松弛现象﹐Attarwal等a 人 通过研究 SnPb 铅料断口形貌得出﹐失效焊点断口表面主要有表征疲劳断裂的疲劳裂纹和表征蠕变断裂的沿晶裂纹﹐说明焊点失效为蠕变--疲劳作用的结果。 SMT 焊点在服役条件下的可靠性问题﹐即在热循环或功率循环中﹐由于芯片载体与基板之间的热膨胀失配所导致的焊点的蠕变疲劳失效问题﹐是 SMT 领域丞待解决的重要问题﹐ 下文所指的 S