— 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
SMT焊点质量检测方法 热循环为确保电子产品德量稳固性和可靠性，或对失效产品进行剖析诊断，一般需进行必要的焊点质量检测。SM T中焊点质量检测办法很多，应当依据不同元器件、不同检测项目等选择不同的检测方法。 1 焊点质量检测方式 焊点质量常用检测方法有非破坏性、破坏性和环境检测3种，见表1所示。 1.1 目视检测 目视检测是最常用的一种非破坏检测方法，可用万能投影仪或10倍放大镜进行检测。检测速度和精度与检测职员才能有关，评价可依照以下基准进行： ⑴润湿状况钎料完整笼罩焊盘及引线的钎焊部位，接触角最好小于20°，通常以小于3 0°为标准，最大不超过60°。 ⑵焊点外观钎料流动性好，表面完全且平滑光明，无针孔、砂粒、裂纹、桥连和拉尖等渺小缺点。 ⑶钎料量钎焊引线时，钎料轮廓薄且引线轮廓显明可见。 1.2 电气检测 电气检测是产品在加载条件下通电，以检测是否满足所请求的规范。它能有效地查出目视检测所不能发明的微小裂纹和桥连等。检测时可应用各种电气丈量仪，检测导通不良及在钎焊进程中引起的元器件热破坏。前者是由渺小裂纹、极细丝的锡蚀和松香粘附等引起，后者是由于过热使元器件失效或助焊剂分解气体引起元器件的腐化和变质等。 1.3 X-ray 检测 X-ray检测是应用X射线可穿透物资并在物质中有衰减的特征来发明缺陷，主要检测焊点内部缺陷，如BGA、CSP和FC焊点等。目前X射线装备的X光束斑一般在1-5μm范畴内，不能用来检测亚微米规模内的焊点微小开裂。 1.4 超声波检测 超声波检测利用超声波束能透进金属材料的深处，由一截面进入另一截面时，在界面边沿发生反射的特色来检测焊点的缺陷。来自焊点表面的超声波进入金属内部，碰到缺陷及焊点底部时就会发生反射现象，将反射波束收集到荧光屏上形成脉冲波形，根据波形的特色来断定缺陷的位置、大小和性质。超声波检验具有敏锐度高、操作便利、检验速度快、本钱低、对人体无害等长处，但是对缺陷进行定性和定量判定尚存在艰苦。 扫描超声波显微镜（ C-SAM）重要应用高频超声（一般为100MHz以上）在材料不持续的处所界面上反射产生的位相及振幅变更来成像，是用来检测元器件内部的分层、空泛和裂纹等一种有效办法。采用微声像技巧，通过超声换能器把超声脉冲发射到元件封装中，在表面和底板这一深度范畴内，超声反馈回波信号以稍微不同的时光间隔达到转化器，经过处置就得到可视的内部图像，再通过选通回波信号，将成像限制在检测区域，得到缺点图。一般采取频率从100MHz到230MHz，最高可达300MHz，检测辨别率也相应进步。 1.5 机械性损坏检测 机械性破坏检测是将焊点进行机械性破坏，从它的强度和断裂面来检讨缺陷的。常用的评价指标有拉伸强度、剥离强度和剪切强度。因为对所有的产品进行检测是不可能的，所以只能进行适量的抽检。 1.6 显微组织检测 显微组织检测是将焊点切片、研磨、抛光后用显微镜来察看其界面，是一种发明钎料杂质、熔蚀、组织结构、合金层及渺小裂纹的有效办法。焊点裂纹一般呈中心对称散布，因而应尽量可能沿对角线方向制样。显微组织检测和机械性损坏检测一样，不可能对所有的成品
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，
焊点疲劳强度研讨 一．疲劳强度 电子元器件的焊点必须能经受长时间的微小振动和电路发散的热量。随着电子产品元器件安装密度的增加，电路的发热量增加，经常会发生焊接处的电气特性劣化，机械强度下降或出现断裂等现象。材料在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。疲劳是一种低应力破坏。 二．提高疲劳强度性能的方法 2．1提高焊点的可靠性 提高焊点可靠性的最好方法有三个：提高焊点合金的耐用性；减少元件与PCB之间热膨胀系数（CTE）的失配；尽可能按照实际的柔软性来生产元件，向焊点提供更大的应变； 2．1．1提高焊点合金的耐用性 2．1．1．1选择合适的焊膏 2．1．1 润湿性能 对于焊料来说，能否与基板形成较好的浸润，是能否顺利地完成焊接的关键。如果一种 合金不能浸润基板材料，则会因浸润不良而在界面上产生空隙，易使应力集中而在焊接 处发生开裂。 焊料的润湿性主要的指标浸润角和铺展率。从现象上看，任何物体都有减少其自身表面 能的倾向。因此液体尽量收缩成圆球状，固体则把其接触的液体铺展开来覆盖其表面。 如果液体滴在固体表面，则会形成图一所示的情况。 图二和图三分别表示浸润不良和良好的现象。 θ为浸润角，显然浸润角越小，液态焊料越容易铺展，表示焊料对基板的润湿性能越好。 a. 当θ<900，称为润湿，B角越小，润湿性越好，液体越容易在固体表面展开； b. 当θ>90时称为不润湿，B角越大，润湿性越不好，液体越不容易在固体表面上铺展开， 越容易收缩成接近圆球的形状;
c. 当θ=00或180“时，则分别称为完全润湿和完全不润湿。 通常电子工业焊接时要求焊料的润湿角θ<200。 影响焊料润湿性能主要有:焊料和基板的材料组分、焊接温度、金属表面氧化物、环境介质、基板表面状况等。 IPC－SPVC用润湿力天平来测量并用润湿时间以及最大润湿力来表示的方法评估了不同组成的 SAC 合金的润湿性，结果发现其中（零交时间与最大润湿力）并无差异，见图4。各候选合金与锡铅共晶合金的润湿性比较见图5。 图 4 不同组成的SAC的润湿性评估结果
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/5512166667.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
倒装焊陶瓷封装失效模式分析及失效机理研究 （摘要：随着封装技术的发展，倒装焊技术得到广泛的应用，倒装焊的研究也越来越广泛深入。文章阐述了倒装焊封装的失效模式，主要有焊点疲劳失效、填充胶分层开裂失效、电迁移失效、腐蚀失效、机械应力失效等。并分析了陶瓷基板倒装焊温度循环试验后的失效模式，陶瓷倒装焊封装失效的机理主要是倒装芯片焊点与UBM 界面金属间化合物应力开裂失效。根据失效机理分析，进行陶瓷倒装焊工艺优化改进，试验达到了JESD22-A104C 标准规定的温度循环：-65℃～+150℃、500 次循环、3 只样品无失效的要求。 1 引言 随着封装技术的发展，传统引线键合技术已经无法满足电路多功能、小型化、轻量化、高性能、低功耗和低成本等要求，倒装焊技术满足了这些要求，并越来越广泛地应用在IC 封装中。近年来，关于倒装焊失效的研究文献报道较多，特别是有机基板倒装焊互连失效的较多。陶瓷基板倒装焊失效研究鲜有报道，展开陶瓷倒装焊的失效机理研究对工程应用具有很重要的指导意义。倒装焊失效机理是导致失效的物理、化学、热力学或其他过程。该过程是应力、粘接材料分解等共同作用在部件上引起损伤，最终导致系统失效。本质上，它是上面介绍的模型中的一或多个导致的。为了开发陶瓷倒装焊封装产品，必须研究封装产品潜在失效机理。如果能用模型来量化描述相关失效模式，就可以促进产品封装结构、材料、工艺以及可靠性设计等的优化，从而使倒装焊产品能满足产品特定的可靠性要求。因此，研究倒装焊互连系统在生命周期过程中所受应力所激发的各种失效机理是很有必要的。本文介绍了各种倒装焊封装失效模式，并对陶瓷倒装焊封装的失效机理进行了研究分析。 2 倒装焊封装失效 倒装焊封装可靠性是近年来封装研究的重点之一，分析其失效原因对于解决可靠性具有很重要的意义。常见的失效模式主要有以下几种：焊点热疲劳失效、机械应力致互连撕裂失效、填充胶分层开裂失效、化学腐蚀失效、电迁移失效等。倒装焊的失效模式多种多样，失效形式是一种或几种共同作用，主要的还是几种因素共同作用的结果。电路失效的过程一般是几种失效模式存在并相互影响。当然失效还跟基板材料、基板及芯片尺寸，凸点材料及结构和尺寸、基板焊盘材料及其与基板黏附、底部填充料等有关。 2.1 焊点疲劳损伤 倒装焊封装是将芯片凸点直接与基板焊盘焊接，会受到热应力的影响而
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
无铅焊点失效之铜扩散机理 罗道军 邹雅冰 （中国赛宝实验室 广州 510610 luodj@https://www.doczj.com/doc/5512166667.html,） 摘 要 本文通过对失效焊点界面的合金层的仔细分析和试验验证，发现了过渡回流以及镍镀层龟裂将使焊盘基材上镀层铜异常地长距离扩散到金属间化物中，导致金属间化物的与镀层之间的强度急速下降，使焊点在正常外力条件下都可能产生早期失效，这种失效机理正常情况难以发觉。本文一并给出会控制这种早期失效的的相应对策。 关键词：焊点失效 铜扩散 失效机理 前 言 随着全新的无铅制造工艺的导入，以及电子产品的小型化发展，导致大量无铅电子产品的质量与可靠性问题产生，其中很大部分是由于无铅焊接工艺或材料造成的不可靠焊点引起的。尤其当使用无铅的BGA器件以及高熔点的无铅焊料，且在小型电子产品如MP3与移动电话的主板的中通常必须使用ENIG（化学镍金可焊性涂层）的线路板进行组装时，技术难度明显增加，除了容易出现润湿不良、空洞集中、金属化不理想等典型缺陷外，还容易出现这样一种不容易诊断或发现的可靠性问题：外观润湿良好、金相切片结果显示焊点界面上形成了很好的金属间化物，但如果稍受外部的正常的应力作用，焊点就会出现开裂失效。这种失效往往是在产品出厂后或使用的一段不长的时间内，制程中并不容易发现，这样就会给厂家带来很大的损失与品牌影响。本文将对这种可靠性问题与解决方案进行深入的分析。 1 无铅焊点可靠性问题产生的背景 目前无铅SMT组装工艺中，普遍使用锡银铜（SAC）系列的无铅焊料合金，这种合金与传统的锡铅共晶焊料相比，最显著的特点是SAC具有较高的熔点与明显下降的润湿性，这就要求在工艺中使用更高的焊接温度与焊接时间，也就必然导致PCB焊盘或元器件的引线脚上的金属镀层金属化熔解与扩散速度明显加快。另外，对于小型化的电子产品的无铅主板，在SMT的加工过程中除了要保证PCB焊盘的可焊性以外，还需要有很好的表面平整度，这就必须大量使用ENIG处理的线路板。ENIG的本身主要问题是容易出现黑焊盘、金镀层薄、镍扩散、表面污染或晶挛结构异常导致的可焊性不良。高熔点低润湿性能无铅焊料以及高密度封装的BGA器件的使用常常导致虚焊假焊等问题。 本文中所遇到的典型案例则与上述情况有所不同。一大批MP3主板生产后期通过功能检查发现失效，其工艺中使用的无铅焊料是SAC305的（即含有3％的银，0.5％的铜，余量为锡），PCB的焊盘的表面处理是化学镍金（ENIG）的镀层。出厂检测以及后期使用时发现主板失效率非常高，工艺参数经检查没有发现问题，而通过功能检测与电性能分析发现，该主
第二篇 基本理论篇 经济效果评价的方法是多种多样的，他们从不同角度来衡量技术方案在经济上的可行性如何。一般来说，方案经济性评价的基本方法包括确定性评价方法和不确定性评价方法。前者根据方案对资金的回收速度、获利能力和资金的使用效率进行分类，有已投资回收期法、借款偿还期法等为代表的时间型经济评价方法，以净现值法、费用现值法、费用年制法等为代表的价值型评价方法，以内部收益率法、外部收益率法、净现值率和费用—效益比法为代表的效率型经济评价方法。后者往往以盈亏平衡分析法、敏感性分析法和概率分析法为典型代表。 第四章 时间型经济评价方法 从是否考虑资金时间价值的角度来说，时间型评价方法一般包括静态投资回收期、动态投资回收期两种，另外，固定资产投资借款偿还期的计算办法因其特殊性也需要专门介绍。 第一节 静态投资回收期法 静态评价法就是采用方案评价的静态指标，在不考虑资金时间价值的前提下，对项目或方案的经济效益进行计算比较的一种方法。把一个项目的费用和效益数量化，可以把一系列的费用、效益概括成几个简单的指标，以便提供对一个项目进行全面评估和决策的依据。为建立和使用这些指标，首先假设所有的费用和效益都可用货币价格表示，然后再引入不能用货币计价的费用效益因素，加以调整，以权衡项目的可取性。本节介绍的静态投资回收期就是不考虑资金的时间价值。 投资回收期法就是指投资回收的期限，也就是用投资方案所产生的净现金收入回收初始全部投资所需要的时间。对于投资者而言，投资回收期越短，收回投资的风险越小，方案的竞争力相对越大。 一般来说，投资回收期从项目开始投入之日起算起，单位用年“年”来表示。 一、全部投资一次完成后期每年净现金收入不变 当项目（方案）在起初一次性支付全部投资P，当年产生收益，每年的净现金收入不变，即收入B减去支出C（不包括投资支出），此时静态投资回收期T的计算公式为：T=P/（B-C）（4-1） ［例4-1］ 一个技术方案在起初有10000元的投资，当年产生效益，且每年的收入为3000元，支
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