— 1 — 焊点可靠性之焊点寿命预测 在产品设计阶段对SMT 焊点的可能服役期限进行预测，是各大电子产品公司为保证电子整机的可靠性所必须进行的工作，为此提出了多种焊点寿命预测模型。 (1) 基于Manson-Coffin 方程的寿命预测模型 M-C 方程是用于预测金属材料低周疲劳失效寿命的经典经验方程[9]。其基本形式如下： C N p f =ε?β (1-1) 式中 N f — 失效循环数； ?εp — 循环塑性应变范围； β, C — 经验常数。 IBM 的Norris 和Landzberg 最早提出了用于软钎焊焊点热疲劳寿命预测的M-C 方程修正形式[2]： )/exp()(max /1kT Q Cf N n p m f -ε?= (1-2) 式中 C, m, n — 材料常数； Q — 激活能； f — 循环频率； k — Boltzmann 常数； T max — 温度循环的最高温度。 Bell 实验室的Engelmaier 针对LCCC 封装SMT 焊点的热疲劳寿命预测对M-C 方程进行了修正[10]： c f f N /1'221???? ??εγ?= (1-3) )1ln(1074.1106442.024f T c s +?+?--=-- (1-4) 式中 ?γ — 循环剪切应变范围； f 'ε— 疲劳韧性系数，2f 'ε=0.65； c — 疲劳韧性指数； T s — 温度循环的平均温度。 采用M-C 型疲劳寿命预测方程，关键在于循环塑性应变范围的确定。主要有两种方法：一种是解析法[10,11]，通过对焊点结构的力学解析分析计算出焊点在热循环过程中承受的循环应变范围，如Engelmaier 给出[10]：
SMT焊点可靠性研究 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
计算机系统的焊点可靠性试验(doc 5页)
焊点可靠性试验的计算机模拟 本文介绍，与实际的温度循环试验相比，计算机模拟提供速度与成本节约。 在微电子工业中，一个封装的可靠性一般是通过其焊点的完整性来评估的。锡铅共晶与近共晶焊锡合金是在电子封装中最常用的接合材料，提供电气与温度的互联，以及机械的支持。由于元件内部散热和环境温度的变化而产生的温度波动，加上焊锡与封装材料之间热膨胀系统(CTE)的不匹配，造成焊接点的热机疲劳。不断的损坏最终导致元件的失效。 在工业中，决定失效循环次数的标准方法是在一个温室内进行高度加速的应力试验。温度循环过程是昂贵和费时的，但是计算机模拟是这些问题的很好的替代方案。模拟可能对新的封装设计甚至更为有利，因为原型试验载体的制造成本非常高。本文的目的是要显示，通过在一个商业有限单元(finite element)代码中使用一种新的插入式专门用途的材料子程序，试验可以在计算机屏幕上模拟。 建模与试验 宁可通过计算程序试验来决定焊点可靠性的其中一个理由是缺乏已验证的专用材料模型和软件包。例如，市场上现有的所有主要的商业有限单元分析代码都对应力分析有效，但是都缺乏对焊点以统一的方式进行循环失效分析的能力。该过程要求一个基于损伤机制理论的专门材料模型和在实际焊点水平上的验证。可以肯定的是，所有主要的有限单元分析代码都允许用户实施其自己的用户定义的插入式材料子程序。 直到现在，还不可能测量疲劳试验期间在焊点内的应力场，这对确认材料模型是必须的。在Buffalo大学的电子封装实验室(UB-EPL)开发的一个Moiré 干涉测量系统允许在疲劳试验到失效期间的应力场测试。 基于热力学原理的疲劳寿命预测模型也已经在UB-EPL开发出来，并用于实际的BGA封装可靠性试验的计算机模拟。在焊点内的损伤，相当于在循环热机负载下材料的退化，用一个热力学构架来量化。损伤，作为一个内部状态变量，结合一个基于懦变的构造模型，用于描述焊点的反映。该模型通过其用户定义的子程序实施到一个商业有限单元包中。 预测焊点的可靠性 焊接点的疲劳寿命预测对电子封装的可靠性评估是关键的。在微电子工业中预测失效循环次数的标准方法是基于使用通过试验得出的经验关系式。如果
无铅焊接的质量和可靠性分析 前言： 传统的铅使用在焊料中带来很多的好处，良好的可靠性就是其中重要的一项。例如在常用来评估焊点可靠性的抗拉强度，抗横切强度，以及疲劳寿命等特性，铅的使用都有很好的表现。在我们准备抛弃铅后，新的选择是否能够具备相同的可靠性，自然也是业界关心的主要课题。 一般来说，目前大多数的报告和宣传，都认为无铅的多数替代品，都有和含铅焊点具备同等或更好的可靠性。不过我们也同样可以看到一些研究报告中，得到的是相反的结果。尤其是在不同PCB焊盘镀层方面的研究更是如此。对与那些亲自做试验的用户，我想他们自然相信自己看到的结果。但对与那些无能力资源投入试验的大多数用户，又该如何做出选择呢？我们是选择相信供应商，相信研究所，还是相信一些形象领先的企业？我们这回就来看看无铅技术在质量方面的状况。 什么是良好的可靠性？ 当我们谈论可靠性时，必须要有以下的元素才算完整。 1．使用环境条件（温度、湿度、室内、室外等）； 2．使用方式（例如长时间通电，或频繁开关通电，每天通电次数等等特性）； 3．寿命期限（例如寿命期5年）； 4．寿命期限内的故障率（例如5年的累积故障率为5%）。 而决定产品寿命的，也有好几方面的因素。包括： 1． DFR（可靠性设计，和DFM息息相关）； 2．加工和返修能力； 3．原料和产品的库存、包装等处理； 4．正确的使用（环境和方式）。 了解以上各项，有助于我们更清楚的研究和分析焊点的可靠性。也有助于我们判断其他人的研究结果是否适合于我们采用。 由于以上提到的许多项，例如寿命期限、DFR、加工和返修能力等等，他人和我的企业情况都不同，所以他人所谓的‘可靠’或‘不可靠’未必适用于我。而他人所做的可靠性试验，其考虑条件和相应的试验过程，也未必完全符合我。这是在参考其他研究报告时用户所必须注意的。 您的无铅焊接可靠性好吗？
焊点可靠性试验的计算机模拟 本文介绍，与实际的温度循环试验相比，计算机模拟提供速度与成本节约。 在微电子工业中，一个封装的可靠性一般是通过其焊点的完整性来评估的。锡铅共晶与近共晶焊锡合金是在电子封装中最常用的接合材料，提供电气与温度的互联，以及机械的支持。由于元件内部散热和环境温度的变化而产生的温度波动，加上焊锡与封装材料之间热膨胀系统(CTE)的不匹配，造成焊接点的热机疲劳。不断的损坏最终导致元件的失效。 在工业中，决定失效循环次数的标准方法是在一个温室内进行高度加速的应力试验。温度循环过程是昂贵和费时的，但是计算机模拟是这些问题的很好的替代方案。模拟可能对新的封装设计甚至更为有利，因为原型试验载体的制造成本非常高。本文的目的是要显示，通过在一个商业有限单元(finite element)代码中使用一种新的插入式专门用途的材料子程序，试验可以在计算机屏幕上模拟。建模与试验 宁可通过计算程序试验来决定焊点可靠性的其中一个理由是缺乏已验证的专用材料模型和软件包。例如，市场上现有的所有主要的商业有限单元分析代码都对应力分析有效，但是都缺乏对焊点以统一的方式进行循环失效分析的能力。该过程要求一个基于损伤机制理论的专门材料模型和在实际焊点水平上的验证。可以肯定的是，所有主要的有限单元分析代码都允许用户实施其自己的用户定义的插入式材料子程序。 直到现在，还不可能测量疲劳试验期间在焊点内的应力场，这对确认材料模型是必须的。在Buffalo大学的电子封装实验室(UB-EPL)开发的一个Moiré干涉测量系统允许在疲劳试验到失效期间的应力场测试。 基于热力学原理的疲劳寿命预测模型也已经在UB-EPL开发出来，并用于实际的BGA封装可靠性试验的计算机模拟。在焊点内的损伤，相当于在循环热机负载下材料的退化，用一个热力学构架来量化。损伤，作为一个内部状态变量，结合一个基于懦变的构造模型，用于描述焊点的反映。该模型通过其用户定义的子程序实施到一个商业有限单元包中。 预测焊点的可靠性 焊接点的疲劳寿命预测对电子封装的可靠性评估是关键的。在微电子工业中预测失效循环次数的标准方法是基于使用通过试验得出的经验关系式。如果使用一个分析方法，通过都是使用诸如Coffin-Manson(C-M)这样的经验曲线。通常，
无铅焊点在器件级与板级的可靠性：测试，分析，和面向可靠性设计 李世玮博士 培训目标与内容 无铅焊目前是电子制造业中主要的焦点之一，从有铅焊转变到无铅焊并不仅仅是单纯的材料代换而已，它还带来了许多可靠性方面的困扰。本课程将介绍当前最关紧要的无铅焊点认证与可靠性的议题，培训重点将放在器件级与板级的测试方法与失效分析。同时也将介绍有限元仿真与焊点面向可靠性设计相关的观念和知识。本课程的教材是以讲师所著的三本书“Chip Scale Packages”，“Microvias for Low-Cost High-Density Interconnects”，和“Electronics Manufacturing with Lead-Free, Halogen-Free, and Conductive Adhesive Materials”的内容为主轴，并加上他近期的研究成果以及与业界互动的心得。所有参加本课程的人士都将会收到一份详尽的讲义。具体内容包括： (1)无铅焊的概观与现况检讨 (2)试验数据的处理与统计分析 (3)认证测试与可靠性测试 (4)器件级焊点测试 (5)板级焊点测试 (6)高速推球与拉球测试和板级跌落试验的相关性 (7)机板与PC板应变量测 (8)有限元仿真与分析 (9)焊点面向可靠性设计的观念与作法 (10)回顾与总结 适合培训人员 本课程主要是为表面贴装，品质管制，可靠性测试与失效分析等相关行业里的研究员，工程师，技术经理所设计。 课程特色 在本培训课程中，将会着重于让学员瞭解下列相关知识： ?认证测试与可靠性测试的不同 ?如何正确处理测试数据和进行统计分析 ?各种器件级与板级焊点可靠性的测试方法 ?热老化与多次回流对焊点的影响 ?如何从器件级焊点强度测试评估板级跌落试验的表现 ?机板与PC板应变量测 ?瞭解仿真分析的角色 ?焊点面向可靠性设计的观念
Rate-dependent properties of Sn–Ag–Cu based lead-free solder joints for WLCSP Y.A.Su a ,L.B.Tan a ,T.Y.Tee b ,V.B.C.Tan a,* a National University of Singapore,Department of Mechanical Engineering,9Engineering Drive 1,Singapore 117576,Singapore b Amkor Technology,Inc.,2Science Park Drive,Singapore 118222,Singapore a r t i c l e i n f o Article history: Received 22July 2009 Received in revised form 18January 2010Available online 24February 2010 a b s t r a c t The increasing demand for portable electronics has led to the shrinking in size of electronic components and solder joint dimensions.The industry also made a transition towards the adoption of lead-free solder alloys,commonly based around the Sn–Ag–Cu alloys.As knowledge of the processes and operational reli-ability of these lead-free solder joints (used especially in advanced packages)is limited,it has become a major concern to characterise the mechanical performance of these interconnects amid the greater push for greener electronics by the European Union. In this study,bulk solder tensile tests were performed to characterise the mechanical properties of SAC 105(Sn–1%wt Ag–0.5%wt Cu)and SAC 405(Sn–4%wt Ag–0.5%wt Cu)at strain rates ranging from 0.0088s à1to 57.0s à1.Solder joint array shear and tensile tests were also conducted on wafer-level chip scale package (WLCSP)specimens of different solder alloy materials under two test rates of 0.5mm/s (2.27s à1)and 5mm/s (22.73s à1).These WLCSP packages have an array of 12?12solder bumps (300l m in diameter);and double redistribution layers with a Ti/Cu/Ni/Au under-bump metallurgy (UBM)as their silicon-based interface structure. The bulk solder tensile tests show that Sn–Ag–Cu alloys exhibit higher mechanical strength (yield stress and ultimate tensile strength)with increasing strain rate.A rate-dependent model of yield stress and ultimate tensile strength (UTS)was developed based on the test results.Good mechanical perfor-mance of package pull-tests at high strain rates is often correlated to a higher percentage of bulk solder failures than interface failures in solder joints.The solder joint array tests show that for higher test rates and Ag content,there are less bulk solder failures and more interface failures.Correspondingly,the aver-age solder joint strength,peak load and ductility also decrease under higher test rate and Ag content.The solder joint results relate closely to the higher rate sensitivity of SAC 405in gaining material strength which might prove detrimental to solder joint interfaces that are less rate sensitive.In addition,speci-mens under shear yielded more bulk solder failures,higher average solder joint strength and ductility than specimens under tension. ó2010Elsevier Ltd.All rights reserved. 1.Introduction Electronic components are shrinking in size to meet demands for lightweight and feature ?lled portable electronic products.This leads to decreasing solder joint dimensions,where mechanical reli-ability has become an issue [1],especially under high strain rate conditions during testing,transport and handling,impact loading under automotive [2]and consumer portable applications. Tin lead alloy (SnPb)was commonly used as a solder material in microelectronic packaging,but it is also hazardous to the environ-ment and health.Therefore,the industry made a transition to lead-free solders,with the implementation a ban on lead (Pb)from elec-tronic products by the EU RoHS (restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment)in July 2006.The transition to lead-free solders is led by the widely adopted Sn–Ag–Cu (SAC)eutectic [3].However,some studies have shown that standard SAC alloys such as SAC 405(Sn–4%wt Ag–0.5%wt Cu)have poorer mechanical performance than eutectic SnPb under high strain rate conditions [4].Moreover,with the increasing popularity of portable devices,the performance of Sn–Ag–Cu solder joints under high strain rate and large rate ranges typical of drop impact situations is a major concern. In this study,dogbone-shaped bulk material tensile tests were conducted to investigate the effect of strain rate and silver content on the material properties of Sn–Ag–Cu solders.Solder joint array shear and tensile experiments were conducted on WLCSP speci-mens of different alloy materials under different strain rates and loading orientations to investigate the effects of strain rate,silver content in Sn–Ag–Cu solder joints,and loading orientation on microelectronic packages.Failure analyses were also performed on the fractured dogbone-shaped bulk material test specimens and WLCSP solder joints. 0026-2714/$-see front matter ó2010Elsevier Ltd.All rights reserved.doi:10.1016/j.microrel.2010.01.043 *Corresponding author. E-mail address:mpetanbc@https://www.doczj.com/doc/1112649203.html,.sg (V.B.C.Tan). Microelectronics Reliability 50(2010) 564–576 Contents lists available at ScienceDirect Microelectronics Reliability journal homepage:w w w.e l s e v i e r.c o m /l oc a t e /m i c r o r e l
无铅焊点可靠性测试方法 随着电子信息产业的日新月异，微细间距器件发展起来，组装密度越来越高，诞生了新型SMT、MCM技术，微电子器件中的焊点也越来越小，而其所承载的力学、电学和热力学负荷却越来越重，对可靠性要求日益提高。电子封装中广泛采用的SMT封装技术及新型的芯片尺寸封装（CSP）、焊球阵列（BGA）等封装技术均要求通过焊点直接实现异材间电气及刚性机械连接（主要承受剪切应变），它的质量与可靠性决定了电子产品的质量。 一个焊点的失效就有可能造成器件整体的失效，因此如何保证焊点的质量是一个重要问题。传统铅锡焊料含铅，而铅及铅化合物属剧毒物质，长期使用含铅焊料会给人类健康和生活环境带来严重危害。 目前电子行业对无铅软钎焊的需求越来越迫切，已经对整个行业形成巨大冲击。无铅焊料已经开始逐步取代有铅焊料，但无铅化技术由于焊料的差异和焊接工艺参数的调整，必不可少地会给焊点可靠性带来新的问题。因此，无铅焊点的可靠性也越来越受到重视。本文叙述焊点的失效模式以及影响无铅焊点可靠性的因素，同时对无铅焊点可靠性测试方法等方面做了介绍。 焊点的失效模式 焊点的可靠性实验工作，包括可靠性实验及分析，其目的一方面是评价、鉴定集成电路器件的可靠性水平，为整机可靠性设计提供参数；另一方面，就是要提高焊点的可靠性。这就要求对失效产品作必要的分析，找出失效模式，分析失效原因，其目的是为了纠正和改进设计工艺、结构参数、焊接工艺等，焊点失效模式对于循环寿命的预测非常重要，是建立其数学模型的基础。下面介绍3种失效模式。 1、焊接工艺引起的焊点失效 焊接工艺中的一些不利因素及随后进行的不适当的清洗工艺可能会导致焊点失效。SMT 焊点可靠性问题主要来自于生产组装过程和服役过程。在生产组装过程中，由于焊前准备、
SMT焊点可靠性研究 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
无铅焊点可靠性分析 单位： 姓名： 时间：
无铅焊点可靠性分析 摘要：主要介绍了Sn-Ag-Cu合金焊接点发生失效的各种表现形式，探讨失效发生与影响可靠性的各种原因及如保在设计及制程上进行改进以，改善焊点的可靠性，提高产品的质量。 关键词：焊点；失效；质量；可靠性 前言：电子产品的“轻、薄、短、小”化对元器件的微型化和组装密度提出了更高的要求。在这样的要求下，如何保证焊点质量是一个重要的问题。焊点作为焊接的直接结果，它的质量与可靠性决定了电子产品的质量。也就是说，在生产过程中，组装的质量最终表现为焊接的质量。 目前，环保问题也受到人们的广泛关注，在电子行业中，无铅焊料的研究取得很大进展，在世界范围内已开始推广应用，无铅焊料与有铅焊料相比，其润湿性差、焊接温度，形成的焊点外观粗糙等不利因素。因此对其焊点品质也是一个大家很关注的问题。中将就Sn-Ag-Cu焊料合金的焊点质量和可靠性问题进行探讨。 一、无铅焊点的外观评价 在印刷电路板上焊点主要起两方面作用。一是电连接，二是机械连接。良好的焊点就是应该是在电子产品的使用寿命周期内，其机械和电气性能都不发生失效。良好的焊点外观表现为： （1）良好的润湿； （2）适当的焊料，完全覆盖焊盘和焊接部位； （3）焊接部件的焊点饱满且有顺畅连接的边缘； 二、寿命周期内焊点的失效形式 产品在其整个寿命期间内各个时期的故障率是不同的, 其故障率随时间变化的曲线称为寿命的曲线, 也称浴盆曲线（见下图） 如上图所示，产品寿命的曲线总共分为三个阶段早期故障期，偶然故障期，耗损故障期。 1）、早期故障期：在产品投入使用的初期，产品的故障率较高，且具有迅速下降的特征。。 这一阶段产品的故障主要是设计与制造中的缺陷，如设计不当、材料缺陷、加工缺陷、安装调整不当等，产品投入使用后很容易较快暴露出来。可以通过加强质量管理及采用筛选等办法来减少甚至消灭早期故障。
BGA焊点可靠性研究综述 Review of Reliability of BGA Solder Joints 陈丽丽,李思阳,赵金林（北京航空航天大学,北京100191） Chen Li-li,Li Si-yang,Zhao J in-lin(College of Reliability and System Engineering, Beihang University,Beijing100191） 摘要：随着集成电路封装技术的发展，BGA封装得到了广泛应用，而其焊点可靠性是现代电子封装技术的重要课题。该文介绍了BGA焊点可靠性分析的主要方法，同时对影响焊点可靠性的各因素进行综合分析。并对BGA焊点可靠性发展的前景进行了初步展望。 关键词：有限元；焊点；可靠性；BGA 中图分类号：TN305.94文献标识码：A文章编号：1003-0107(2012)09-0022-06 Abstract:With the development of IC packaging technology,BGA is widely used,the reliability of its sol-der joints has became an important subject of modern electronic packaging technology.In this paper,a common method to analysis the reliability of BGA solder joints is introduced,various parameters which were displayed and the factors of influence on the solder joints,reliability were analyzed simultaneity. Based on above,we have an expectation of development foreground of the reliability of BGA solder joints. Key w ords:finite element;solder joint;reliability;BGA CLC num ber:TN305.94Docum ent code:A Article ID：1003-0107(2012)09-0022-06 0引言 近年来，高功能，高密度，高集成化的BGA封装技术成为主流的封装形式，其焊点可靠性是现代电子封装技术的重要课题。电子封装技术的飞速发展，不断为焊点可靠性的研究提出新课题。传统焊点可靠性研究主要依靠实验，近年来有限元模拟法成为焊点可靠性研究的主要手段；微观显示技术的发展，为分析焊点构成成分变化及裂纹产生，发展提供有力的支持；无铅化进程，针对焊点在不同载荷条件下材料性质成为当前研究的热点；不断涌现出大量新型BGA封装形式，其内部结构，尺寸以及空洞对焊点可靠性的影响有待进一步的研究；板级焊点的可靠性也越来越得到重视。本文主要针对以上几个问题进行综述分析。 1焊点可靠性研究方法 传统的焊点可靠性研究主要依靠实验，随着电子产品的微型化，焊点向着更加微小的方向发展，应用实验方法对其可靠性进行分析面临很大的困难。有限元模拟法[1]，将一个结构分离成若干规则的形状单元，并在空间用边界模型来定义每一个单元就可求解整体结构的位移和应力，利用该方法研究焊点的可靠性也成为热点。 针对单独使用实验方法与有限元模拟方法的局限性，现阶段焊点可靠性的研究多采用实验与有限元模拟方法综合使用的方法。分析方法流程汇总如图1所示。 电子显微技术的发展，使得测试手段多样化发展，检测结果更为准确，对于焊点内部化学成分及结构的变化观察更为直观，能够更好地了解其失效原因，失效部位的形成及发展。下面汇总几种常见的测试方法如表1所示。 2器件级焊点可靠性影响因素 器件封装技术的飞速发展，封装结构，尺寸和材料都发生了较大变化。近年来，专家学者对这类器件级焊点可靠性的影响因素进行了大量研究，下面针对其研究成果进行总结概括。 2.1新型BGA封装结构 2.1.1热增强型BGA 随着电子封装向高密度，薄型化的方向发展，封装的尺寸越来越小，器件的功率越来越大，对芯片的热可靠性提出了更高的要求，为减小热阻，提高热性能，产生了多种热增强型BGA，其主要特点是在BGA封装的底部中间位置(芯片)加有一个散热的铜块或铜片，增加热传导能力，主要用于高功耗器件的封装。其主要结构 作者简介：陈丽丽(1986-)，女，硕士研究生，研究方向为系统安全及可靠性。22
焊点可靠性之焊点寿命改善 提高SMT焊点可靠性的方法主要有以下四种： (1) 研制开发新型基板材料以减小陶瓷芯片载体与树脂基板之间的热膨胀系数差。研究主要集中于印刷电路板材料，已经研制开发了42%Ni-Fe合金(CTE=5ppm/o C)、Cu-因瓦合金-Cu复合材料板(CTE=2.8～13ppm/o C)等新型基板材料，效果较好[41]。但是由于新型材料制作工艺复杂、价格昂贵，其实用性受到很大限制，90年代起极少有此类研究见于文献。 (2) 提高软钎料合金自身的力学性能，向Sn-Pb共晶合金基体中加入微量合金元素以实现合金强化。由于实际生产中需综合考虑成本、工艺性等多方面问题，对Sn-Pb基钎料合金而言，这方面的工作较少，主要是添加Ag[42]。朱颖博士开发了Sn-Pb-RE系列钎料合金，不仅提高表面组装焊点热循环寿命2-3倍，而且在成本和工艺性方面均有很好的应用前景[43]。近年来，随着环境保护呼声的日益提高，开发无铅钎料(Lead-Free Solder)成为了软钎焊材料研究的热点，HP公司的Glazer对此作了很好的综述[44]，焦点在于新型无铅钎料合金在保证润湿性的前提下，其熔点要与现有工艺条件匹配且其力学性能要优于Sn-Pb共晶合金。 (3) 焊点形态优化设计。作为承受载荷的结构件，不同的焊点形态将导致焊点内部不同的热应力-应变分布，从而导致不同的焊点热疲劳性能。焊点形态优化设计包括两方面的内容：一是焊点形态预测，即在钎料量、焊点高度、焊盘几何、软钎焊规范等工艺参数确定的条件下，借助于焊点成型的数学物理模型计算出焊点的最终形态。近年来提出了多种基于能量最小原理的焊点形态预测模型[45-47]。二是优化设计，即何种焊点形态才具有最优的热疲劳性能。优化判据的确定是一个涉及到焊点失效机制的理论问题，目前还远没有 —1 —
焊点的质量与可靠性 电子产品的“轻、薄、短、小”化对元器件的微型化和组装密度提出了更高的要求。在这样的要求下，如何保证焊点质量是一个重要的问题。焊点作为焊接的直接结果，它的质量与可靠性决定了电子产品的质量。也就是说，在生产过程中，组装的质量最终表现为焊接的质量。 目前，在电子行业中，虽然无铅焊料的研究取得很大进展，在世界范围内已开始推广应用，而且环保问题也受到人们的广泛关注，但是由于诸多的原因，采用Sn-Pb焊料合金的软钎焊技术现在仍然是电子电路的主要连接技术。文中将就Sn-Pb焊料合金的焊点质量和可靠性问题进行较全面的介绍。 1 焊点的外观评价 良好的焊点应该是在设备的使用寿命周期内，其机械和电气性能都不发生失效。其外观表现为： （1）良好的润湿 （2）适当的焊料量和焊料完全覆盖焊盘和引线的焊接部位（或焊端），元件高度适中； （3）完整而平滑光亮的表面。原则上，这些准则适合于SMT中的一切焊接方法焊出的各类焊点。此外焊接点的边缘应当较薄，若焊接表面足够大，焊料与焊盘表面的润湿角以300以下为好，最大不超过600. 2 寿命周期内焊点的失效形式 考虑到失效与时间的关系，失效形式分为三个不同的时期， 如图1所示。 （1）早期失效阶段，主要是质量不好的焊点大量发生失效，也有部分焊点是由于不当的工艺操作与装卸造成的损坏。可以通过工艺过程进行优化来减少早期失效率。
（2）稳定失效率阶段，该阶段大部分焊点的质量良好，失效的发生率（失效率）很低，且比较稳定。 （3）寿命终结伦阶段，失效主要由累积的破环性因素造成的，包括化学的、冶金的、热一机械特性等因素，比如焊料与被焊金属之间发生金属化合反应，或热一机械应力造成焊点失效。失效主要由材料的特性、焊点的具体结构和所受载荷决定。 3 焊接工艺引起的焊点失效机理 焊接工艺中的一些不利因素及随后进行的不适当的清洗工艺可能会导致焊点失效。 3.1 热应力与热冲击 波峰焊过程中快速的冷热变化，对元件造成暂时的温度差，这使元件承受热一机械应力。当温差过大时，导致元件的陶瓷与玻璃部分产生应力裂纹。应力裂纹是影响焊点长期可靠性的不利因素。 焊料固化后，PCB还必须由1800C降低到室温。由于PCB和元件之间的热膨胀系数不同，有时也会导致陶瓷元件的破裂。 PCB的玻璃化转变温度一般在1800C和室温之间（FR-4大约是1250C）。焊接后，焊接面被强制冷却，这样PCB的两面就会在同一时刻处于不同的温度。结果当焊接面到达玻璃化转变温度或以下时，另一面还在玻璃化转变温度以上，于是出现PCB翘曲的现象。PCB翘曲严重时会损坏上面的元件。 3.2 金属的溶解 在厚、薄膜混合电路（包括片式电容）组装中，常常有蚀金、蚀银的现象。这是因为焊料中的锡与镀金或镀银引脚中的金、银会形成化合物，导致焊点的可靠性降低。 许多情况下，在焊料从焊接温度冷却到固态温度的期间，有溶解的金属析出，在焊接基体内形成了脆性的金属化合物。铜生成针状的Cu6Sn5,银生成扁平的Ag3Sn,金生成AuSn4立方体。这些化合物有一个共同的特点是，就是非常脆，剪切强度极低，元件极易脱落。如果金、银含量少，生成的化合物的量不会很多，这些化合物对焊点的机械性能还不会造成太大的损害。但是含量较
焊点的质量与可靠性 机电工程学院微电子制造工程 1000150312 黄荣雷 摘要：本文介绍了Sn-Pb合金焊接点发失效的各种表现形式，探讨失效的各种原因。在实践基础上，指出如何在工艺上进行改进已改善焊点的可靠性，提高产品的质量。 1 前言 电子产品的"轻、薄、短、小"化对元器件的微型化和组装密度提出了更高的要求。在这样的要求下，如何保证焊点质量是一个重要的问题。焊点作为焊接的直接结果，它的质量与可靠性决定了电子产品的质量。也就是说，在生产过程中，组装的质量最终表现为焊接的质量。 目前，在电子行业中，虽然无铅焊料的研究取得很大进步，在世界范围内已开始推广应用，而且环保问题也受到人们的广泛关注，但是由于诸多的原因，采用Sn-Pb焊料合金的软钎焊技术现在仍然是电子电路的主要连接技术。文中将就Sn-Pn焊料合金的焊点质量和可靠性问题进行较全面地介绍。 2 焊点的外观评价 良好的焊点应该是在设备的使用寿命周期内，其机械和电气性能都不发生失效。其外观表现为： （1）良好的湿润； （2）适当的焊料量和焊料完全覆盖焊盘和引线的焊接部位（或焊端），元件高度适中；（3）完整而平滑光亮的表面。 原则上，这些准则适合于SMT中的一切焊接方法焊出的各类焊点。此外焊接点的边缘应当较薄，若焊接表面足够大，焊料与焊盘表面的湿润角以300以下为好，最大不超过600。 3 寿命周期内焊点的失效形式 考虑到失效与时间的关系，失效形式分为三个不同的时期，如图1所示。 （1）早期失效阶段，主要是质量不好的焊点大量发生失效，也有部分焊点是由于不当的工艺操作与装卸造成的损坏。可以通过工艺过程进行优化来减少早期失效率。 (2)稳定失效率阶段，该阶段大部分焊点的质量良好，失效的发生率(失效率)很低，且比较稳定。 (3)寿命终结阶段，失效主要由累积的破环性因素造成，包括化学的、冶金的、热-机械特性等因素，比如焊料与被焊金属之间发生金属化合反应，或热-机械应力造成焊点失效。失效主要由材料的特性、焊点的具体结构和所受载荷决定。
可焊性、焊接能力和焊点可靠性之评估和测试 （汕头超声印制板公司广东汕头 515065）马学辉 摘要：本文主要在于明确可焊性、焊接能力和焊点可靠性三者之间的联系和区别，指出对它们进行评估和测试时其各自关注的主要特性和常见的评估和测试方法，同时简单介绍影响它们的关键因素。 关键词：可焊性、焊接能力、焊点可靠性 The Evaluation and Test of Solderability, Soldering ability and Solder Joints Reliability Ma Xuehui Abstract: The objective of the article is to clearly describe the relation and difference among solderability, soldering ability and solder joints reliability and point out the corresponding characteristics when evaluating and testing these items. Usual evaluating and testing methods are briefly introduced and the critical factors to the items are also briefly discussed. Key words: solderability, soldering ability, solder joints reliability 1 前言 可焊性和可靠性是电子组装行业经常提到的名词。焊接能力则很少有人提起，有人往往会把它跟可焊性混淆起来，因此有必要把它跟可靠性一并提出来。其实三者是既有联系，又有区别的。它们分别关注不同的特性，对评估目标是各不相同的，但是却有内在联系。在讨论可焊性、焊接能力和焊点可靠性之前，有必要首先简单了解一下锡钎焊接的过程。 2 锡钎焊接的过程 借助熔化的填充金属(焊料)来连接金属零件的焊接方式称为“钎焊”。焊料熔点温度高于450℃的钎焊称为硬钎焊，常用的焊料有银基焊料和铜基焊料；低于450℃则称为软钎焊，常用的有锡基焊料和铅基焊料。电子装配中通常使用的是锡基焊料的软钎焊，称为锡钎焊。 电子装配过程中，使元器件与基板（即PCB板）连接起来的锡钎焊接工艺，是利用熔融的填充金属（含锡焊料）使接合处表面润湿并分别在两种金属零件之间形成冶金的键合。表面润湿是锡钎焊接的基础。焊料的润湿过程包括以下三个方面。 1）首先是助焊剂有效地破坏氧化膜或保护层，液体焊料在基底金属上面扩展开来。 2）基底金属溶解进入液体焊料。 3）基底金属与液体焊料进行化学反应形成共价键的金属间化合物层(IMC)。 在基地金属上液态焊料的润湿，在各种材料界面张力的作用下，最终将会达到一种平衡稳定状态。可以看出，这个过程包含有物理的和化学的过程，熔融焊料就像是“胶水”一样，使元器件的端子或引脚与PCB上的焊盘或焊垫接合并填充形成焊点。这是焊接的基本原理，指的是参与“连接”的材料，包括焊料（含助焊剂）、元器件的端子和PCB的焊盘通过物理和化学的作用形成焊点的过程。焊接的过程，除此之外，还必须包括：加热、时间和温度等的设定。可焊性和焊接能力可以说是对焊接在不同方面的要求和评价，焊点的可靠性则是焊接后焊点方面的结果和评价。 3 可焊性的评估和测试 可焊性一般指金属表面被熔融焊料润湿的能力，润湿的过程如上所述，在电子行业中，可焊性评估的目的是验证元器件引脚或焊端的可焊性是否满足规定的要求和判断存储对元器件焊接到单板上的能力是否产生了不良影响，可焊性测试主要是测试镀层可润湿能力的稳健性（robustness）。可焊性测试通常用于判断元器件和PCB在组装前的可焊性是否满足要求。 焊料润湿性能的试验方法有很多种，包括静滴法(Sessile drop)、润湿称量法(Wetting balance也称润湿平衡法)、浸锡法等。图1为静滴法的示意图，该法是将液体滴落在洁净光滑的试样表面上，待达到平衡稳定状态后，拍照放大，直接测出润湿角θ，并可通过θ角计算相应的液—固界面张力。该法中接触角θ可用于表征润湿合格与否，θ≤90°，称为润湿，θ>90°，称为不润湿，θ=0°，称为完全润湿，θ=180°，为完全不润湿。