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            無鉛焊點可靠性問題分析及測試方法

            作者: 時間:2013-11-30 來源:網(wǎng)絡 收藏

            隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的日新月異,微細間距器件發(fā)展起來,組裝密度越來越高,誕生了新型SMT、MCM技術,微電子器件中的焊點也越來越小,而其所承載的力學、電學和熱力學負荷卻越來越重,對要求日益提高。電子封裝中廣泛采用的SMT封裝技術及新型的芯片尺寸封裝(CSP)、焊球陣列(BGA)等封裝技術均要求通過焊點直接實現(xiàn)異材間電氣及剛性機械連接(主要承受剪切應變),它的質(zhì)量與決定了電子產(chǎn)品的質(zhì)量。

              一個焊點的失效就有可能造成器件整體的失效,因此如何保證焊點的質(zhì)量是一個重要問題。傳統(tǒng)鉛錫焊料含鉛,而鉛及鉛化合物屬劇毒物質(zhì),長期使用含鉛焊料會給人類健康和生活環(huán)境帶來嚴重危害。

              目前電子行業(yè)對無鉛軟釬焊的需求越來越迫切,已經(jīng)對整個行業(yè)形成巨大沖擊。無鉛焊料已經(jīng)開始逐步取代有鉛焊料,但無鉛化技術由于焊料的差異和焊接工藝參數(shù)的調(diào)整,必不可少地會給焊點帶來新的問題。因此,的可靠性也越來越受到重視。本文敘述焊點的失效模式以及影響可靠性的因素,同時對可靠性等方面做了介紹。

              焊點的失效模式

              焊點的可靠性實驗工作,包括可靠性實驗及分析,其目的一方面是評價、鑒定集成電路器件的可靠性水平,為整機可靠性設計提供參數(shù);另一方面,就是要提高焊點的可靠性。這就要求對失效產(chǎn)品作必要的分析,找出失效模式,分析失效原因,其目的是為了糾正和改進設計工藝、結(jié)構參數(shù)、焊接工藝等,焊點失效模式對于循環(huán)壽命的預測非常重要,是建立其數(shù)學模型的基礎。下面介紹3種失效模式。

              1焊接工藝引起的焊點失效

              焊接工藝中的一些不利因素及隨后進行的不適當?shù)那逑垂に嚳赡軙е潞更c失效。SMT焊點可靠性問題主要來自于生產(chǎn)組裝過程和服役過程。在生產(chǎn)組裝過程中,由于焊前準備、焊接過程及焊后檢測等設備條件的限制,以及焊接規(guī)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(xiàn)象等。

              另一方面,在使用過程中,由于不可避免的沖擊、振動等也會造成焊點的機械損傷,如波峰焊過程中快速的冷熱變化對元件造成暫時的溫度差,使元件承受熱一機械應力。當溫差過大時,導致元件的陶瓷與玻璃部分產(chǎn)生應力裂紋。應力裂紋是影響焊點長期可靠性的不利因素。

              同時在厚、薄膜混合電路(包括片式電容)組裝過程中,常常有蝕金、蝕銀的現(xiàn)象。這是因為焊料中的錫與鍍金或鍍銀引腳中的金、銀形成化合物,從而導致焊點的可靠性降低。過度的超聲波清洗也可能對焊點的可靠性有影響。

              2時效引起的失效

              當熔融的焊料與潔凈的基板相接觸時,在界面會形成金屬間化合物(intermetallicCompounds)。在時效過程中,焊點的微結(jié)構會粗化,界面處的IMC亦會不斷生長。焊點的失效部分依賴于IMC層的生長動力學。界面處的金屬間化合物雖然是焊接良好的一個標志,但隨著服役過程中其厚度的增加,會引起焊點中微裂紋萌生乃至斷裂。

              當其厚度超過某一臨界值時,金屬間化合物會表現(xiàn)出脆性,而由于組成焊點的多種材料間的熱膨脹失配,使焊點在服役過程中會經(jīng)歷周期性的應變,形變量足夠大時會導致失效。研究表明Sn60/Pb40軟釬料合金中加入微量稀土元素鑭,會減少金屬化合物的厚度,進而使焊點的熱疲勞壽命提高2倍,顯著改善表面組裝焊點的可靠性。

              3熱循環(huán)引起的失效

              電子器件在服役條件下,電路的周期性通斷和環(huán)境溫度的周期性變化會使焊點經(jīng)受溫度循環(huán)過程。封裝材料問的熱膨脹失配,將在焊點中產(chǎn)生應力和應變。如在SMT中芯片載體材料A1203陶瓷的熱膨脹系數(shù)(CTE)為6×10-6℃-1,而環(huán)氧樹脂/玻璃纖維基板的CTE則為15×10-6℃-1。溫度變化時,焊點將承受一定的應力和應變。一般焊點所承受應變?yōu)?%~20%。在THT工藝中,器件的柔性引腳會吸收由于熱失配而引起的大部分應變,焊點真正承受的應變是很小的。而在SMT中,應變基本由焊點來承受,從而會導致焊點中裂紋的萌生和擴展,最終失效。

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            關鍵詞: 無鉛焊點 可靠性 問題分析 測試方法

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