焊点可靠性研究
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
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
，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焊点的可靠性具有重要的技术、经济意义。
1.1SMT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，Attarwala等人通过研究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SMT焊点可靠性即为SMT焊点在服役条件下的可靠性。
1.2SMT焊点可靠性的影响因素
研究表明，SMT焊点可靠性的影响因素主要有以下几个方面：1．材料因素裂纹的起裂与扩展是焊点失效的直接原因。铅料的微观结构即铅料的组织结构、晶粒尺寸决定着铅料的变形机制、疲劳裂纹扩展机制，从而对焊点的可靠性有决定性影响。如图2是改变铅料中Sn、Pb的配比所对应的不同铅料中含Sn量的增加，焊点疲劳寿命增加。适当添加合金元素，如Ag、Sb、Re等可在保证铅料的熔点低、润湿性好，接头强度高等优点的前提下，提高铅料的抗蠕变一疲劳性能，改善焊点可靠性。
另外，由于组件与基板材料CTE不匹配导致焊点在热循环过程中产生应力集中，是导致焊点裂纹的萌生与扩展的本质因素，因此，研制开发展适当的基板材料，减小电子组件与基板的热膨胀系数差异，可抑制焊点的失效。
2．内部缺陷SMT 软铅焊接头因其微小的尺寸，复杂的焊接材料，产生缺陷的几率较大，主要有外观缺陷，如接头外型不良、引线间的桥接、芯吸等，以及内部缺陷，如气孔、有害金属间化合物、虚焊等。这些缺陷的存在都对焊点的可靠性有致命的影响。目前存在的焊点缺陷检测方法，很难检测尺寸本来就十分微小的SMT 焊点内部的更加微小的缺陷，因此，关于缺陷对SMT 焊点可靠性影响的理论研究少有文献报导。哈工大微连接实验室初步研究了不同尺寸球状气孔对接头机械性能的影响，如图3，曲线 1 表示接头外边缘在线的最大应力峰值的变化，曲线2表示气孔周围主应力值的变化，可见，由于气孔的存在，SMT软铅
焊接头的机械载强度明显下降。
3．服役条件SMT 产品的可靠性很大程度上决定于服役条件如，环境温度、周期性加载频率等。Gregory等人模拟焊点热循环的疲劳过程，考察了温度、加载频率对焊点疲劳寿命的影响，结果表明，随着温度的增加，焊点应变范围增加，失效周期数降低。随着加载频率增加，焊点疲劳寿命降低。Tien等人的研究表明，焊点高温保温时间短，焊点内的应变恢复的多，将延长焊点疲劳寿命。保持时间长，由于蠕变的作用，可恢复应变少，增加了焊点内部应变，寿命降低。
4?焊点形态SMT焊点形态即铅料受热熔化以后，沿金属表面润湿铺展冷凝后形成的具有一定
几何形状的外观形态，狭义上，即铅料圆角的凹凸形态，研究表明，SMT焊点形
态影响焊点机械性能、应力应变及蠕变疲劳寿命等。
如图4是W.M.Sherry等人对841/0非城堡型LCCC焊点的剪切性能在25C进行实验研究的结果。表明，焊点形态不同，焊点的室温剪切性能不同， B 型焊点的室温剪切性能最好。
M.K.Shah等人假设焊点铅料圆角形态为直线，采用线弹性FEM分析了片式电容焊点在
(T=100C)时的热应力。结果表明，改变铅料圆角的高度、组件与基板的间隙高度以及组件在焊盘上的贴片位置，焊点的应力水平和分布状态不同。
E.Nicewarner对城堡型焊点热循环寿命的试验研究表明，焊点铅料圆角的差异可使焊点热循环寿命的差异达 6 . 5倍。铅料圆角呈凸形时，焊点热循环寿命较高。哈尔滨工业大学王国忠等人对同种类型焊点的研究结果为平直型焊点可靠性较好。而R.W.Korb等人的研究指出
，城堡型焊点铅料圆角的高度和长度大致相近时，焊点可靠性最好。目前，焊点形态对可靠性的影响规律尚不清楚，有待于进一步完善。
1.3SMT焊点形态优化设计
在上述影响SMT 焊点可靠性的因素中，焊点的服役条件一般是难以改变的，提高SMT 焊点可靠性主要从减少缺陷，开发新材料，改善焊点形态方面考虑。其中，减少缺陷的研究因为焊点尺寸非常微小，需要高精度的检测设备，焊点分析的处理工艺复杂，按目前高精密检测仪器发展水平很难进行。开发新材料即进行新型基板、材料的开发或新的铅料合金的设计，制造工艺复杂、价格昂贵，其实用性受到很大的限制。而通过合理设计焊点结构参数、改善焊点形态可有效改善焊点的力学性能，从而提高焊点的可靠性。目前，基于SMT焊点形
态的焊点可靠性研究正方兴未艾。
1990年，美国Marquette大学的S.M.Heinrich等人提出了SMT焊点形态优化的计算器辅助设计思想，如图5所示。设计者首先输入影响焊点形态的有关参数(如铅料量、组件尺寸、焊盘伸出长度以及组件与焊盘的间隙高度等)，通过焊点形态预测模型计算出焊点形态，然后利用所得结果进行可靠性（如热循环下的应力、应变等）分析，获得焊点的疲劳寿命，再以焊点疲劳寿命为判断标准，反馈推出最佳的焊点形态，最佳的设计参数。
进行SMT焊点形态优化的计算器辅助设计，可以把关于焊点形成的数值仿真、焊点力学性能的有限元分析以及焊点疲劳寿命预测集成起来，形成一完整的SMT焊点形态优化体
系。应用于SMT工艺生产实践中，可以在产品投入组装前给予合理化建议，大大减少决策过程中的实验工作量，有效提高SMT焊点的可靠性能。在国内外的有关文献中，尚未见关于SMT焊点形态优化的计算器辅助设计研究的完整报导。
2.1SMT焊点形态预测研究
2.1.1SMT焊点形态建模基本方法
精确预测焊点形态是SMT组装工艺的一项关键技术。因为（1）可焊性测试（如润湿平衡实验）与焊点的几何形态密切相关；（2）导致低焊接生产率的接头缺陷，如桥连、断路等决定于焊点的形态；（3）焊点形态对服役条件下焊点的可靠性有重要影响。
焊点形态的研究开始于80年代，主要建模方法为求解边界值问题解法（简BVP,Boundary Volume Problem和数值分析方法。其中,BVP法通过给定边界值约束条件，建立焊点成形的微分方程，求解出焊点形态。BVP法预测结果精确，易于考察有关参数对焊点形态的影响规律。但一般用于焊点形态简单，易于描述为数学微分方程的焊点类型。数值分析方法，即通过有限元法（简称FEM,Finite Elements Method）求解满足相关约束条件的焊点三相系统能量的最小值，给出焊点形态。FEM法预测结果是近似解，通过单元类型的选择和数目的增加逐渐精确。FEM法可用于复杂焊点形态的求解中。
近些年来，随着SMT新型焊点的不断增加，焊点形态预测的研究取得了许多新的进展，BVP法和FEM法广泛应用于焊点二维形态模型、轴对称焊点形态模型及焊点三维形态模型中
2.1.2焊点二维形态预测
许多关于焊点二维形态的研究文献出现于1986~1993年间，其中，比较有代表性的是美
国Marquette大学S.M.Heinrich等人的研究工作。Heinrich基于“接触角为锐角”的假设，建立
了预测片式组件焊点二维形态模型，如图6所示，基于流体液面上点的受力平衡的
Laplace---You ng方程和流体静压方程，提出了控制液面形态的微分方程：
利用上述方程的解析结果，考察了无限铺展条件下铅料密度（p）/表面张力（丫）、铅料量
（A）、润湿角（@ 1 ,@ 2）对焊点的高度（h）、长度⑴及铅料圆角形态y（x）的影响。
Hei nrih在以后的研究中指出，焊点铅料的铺展受组件金属化端头和焊盘尺寸的限制，因此提出了一种求解铅料量较小时（忽略重力的影响）焊点尺寸的近似方法，焊点尺寸（H,1）可以描述为：
是? 1 ,@ 2的函数。
这种计算焊点形态的方法考虑了组件和焊盘尺寸对焊点形态的影响，使SMT 焊点二维形态计算的解析法进一步完善。
2.1.3轴对称焊点的形态预测
随着栅阵组装（如FC,BGA），在高精度电子产品组装中的广泛应用与发展，轴对称焊点形态预测取得了许多进展。
Heinrich 等人假设焊点剖面轮廓为圆弧形曲线（如图8），对描述焊点形态的参数：焊盘间隙高度、铅料体积、焊盘半径、圆弧曲率以无量纲参数形式建立单一焊点的积分方程：根据栅阵焊点整体受力约束、铅料表面张力及体积约束条件建立了边界约束方程：求解出了焊点高度、宽度与焊点所受外力、铅料体积之间的关系曲线。此模型的贡献在于给出了焊点成形的无量纲参数微分方程，并且可扩展到非均匀分布栅阵组装焊点形态预测中，对轴对称焊点形态分析有重要的指导作用。但此模型中未涉及到铅料在固相表面铺展状态，仅限用于PBGA等铅料在焊盘表面完全铺展的焊点形态预测中。
Renken 等人考虑了液体铅焊与固体表面（如焊盘、组件表面）的相互作用，引入Gibbs 对You ng方程修改所建立的异相界面间能量表达方程，求解了铅料与固相表面接触的界面张力，建立了描述整个焊点系统的能量方程，利用数值解法预测了焊点形态。其能量方程表达为
其中，?—系统能量，?s---表面势能，? g---重力势能，A---界面面积，V---体积，P
---密度。丫---表面张力，角标S,L,G分别为固、液、气相界面标志。
GSubbarayan模型可预测焊点间隙高度、铅料与组件及焊盘表面的接触角及铅料与组件或焊盘的界面面积等，使该模型具有较强的扩展性，已应用于CBGA 等复杂焊点形态预测中。
97 年，Elkouh 等人基于铅料在焊盘表面完全润湿铺展，润湿角小于90 度等假设条件，分
别对通孔组装（THT）板上和板下焊点建立受力平衡方程，给出了以无量纲参数表达的焊点结构参数变化时，焊点形态的变化规律。结果表明，在假设铅料良好润湿的前提下，铅料在板上和板下焊点的分布主要取决于焊盘的尺寸，而来自铅料体积的影响要小一些。同样，在Elkouh模型焊点形态方程也以无量纲形式给出，因此可扩展为THT以外其它焊点的形态预
测，但是用此模型的严格条件使其应用受到了限制。
2.1.4焊点三维形态预测尽管焊点二维形态模型与轴对称焊点形态模型发展得较多，但是这些模型的建立针对特殊焊点，因此很难应用到新型复杂的焊点形态中，因此开发焊点三维形态模型的研究受到了重视。
S.Goldman提出了一种预测FC焊点三维形态的数值方法，用求解泛涵最小来确定焊点铅料量的平衡形态，焊点形态的泛函描述为：
其中丫，B，Z是描述焊点形态的柱坐标参数，W是芯片和重量，H是芯片与基板的间
隙，入是Lagrange乘数。上式的被积函数（F）为：
泛函（I）最小时，被积函数（F）应满足尤拉方程，即
根据上式可以得到描述焊点形态的微分方程，利用有限元差分方法对焊点形态进行预测。
Y.Boris等人也利用上述方法，求解了非对称FC的焊点三维形态，如图9所示。Nigro
等人在二维焊点形态模型基础上发展了焊点三维形态预测的参数有限元法，预测了位于两平
行对称方形焊盘间焊点形态。在参数有限元形态模型中，焊点表面离散为多个有限单元，描述每个单元形状函数为有关形状参数(如单元节点坐标等)的函数，根据边界、体积约束及能量最小的约束条件，确定三相系统能量达到最小值时形状函数中的有关参数值，从而预测焊点形态。
哈工大微连接实验室根据类似方法，利用用计算液体成形软件Surface Evolver 预测了LCCC 型焊点的三维形态，如图10。
2.2 SMT 焊点力学行为分析及焊点热疲劳寿命预测的研究
2.2.1焊点力学行为分析即考察SMT 焊点在承载历史条件下焊点内部的应力应变情况。铅料的本构方程(即铅料的物理性能)是进行应力应变分析的基础。其发展经历了弹塑型、蠕变型、弹塑
型十蠕变型的分离型、统一粘塑性型的进程。
1．弹塑性90年以前，主要采用弹塑性的本构方程分析SMT 焊点的力学行为，如典型
的Osgood-Ramberg幕级型本构方程：
https://www.wendangku.net/doc/8e11720321.html,u[ ]等人采用弹塑性本构方程，分析了组件与基板间隙高度对焊点的应力应变分布
的影响。文献研究也采用SnPb铅料的弹塑性本构模型对相关问题进行了有限元分析。
2．蠕变型
随着SnPb铅料力学研究的深入，人们逐渐认识到高温下蠕变变形是焊点失效的主要机
制，SnPb铅料本构模型的建立应着重考虑其粘性行为。N.Paydar等人采用幕指数型的Dorn 方程描述SnPb铅料的稳态蠕变规律，分析了铅料的应力构弛，幕指数型的Dorn方程可描述为：
式中，& ---蠕变应变率，c --有效应力，A---常数，b---泊氏矢量，d---晶粒尺寸，n---应力指数，p---晶粒尺寸指数，G---剪切模量，K--Boltxman 常数，D---扩散系数，
D=Doexp(-Q/RT),Q---
蠕变激活能，R--气体常数，T--温度(K)。
式中，A,B--常数，n--应力指数
Bor ZengHong采用上述的双曲型蠕变规律分析了CBGA焊点的热循环过程中应力应变行为，A.M.Deshpane考察焊点形态对焊点可靠性影响规律时，采用双曲型蠕变定律分析了铅料的力学响应。
此外，W.Jung等人采用Norton型蠕变定律对BGA焊点的变形行为进行了分析，
Norton
SDL-39-16-11-00
型蠕变定律描述为
3.弹塑十蠕变型1990年，Knecht和Fox等人提出，铅料的非弹性变形中既有与时间有
关的蠕变，也有与时间无关的塑性变形，但由于当时尚时不能建立精确有效的描述SnPb
铅料的本构关系尚不可能，因此建立了“弹塑性十蠕变”的SnPb铅料本构方程。这种把与时
间有关的蠕变变形与时间无关的塑性变形分开考虑的“分离型粘塑性”本构方程在文献中得到了应用。其具体形式可归纳为：弹塑性变形采用Hooke定律和Osgood---Ramberg幕级型本构定律，稳态蠕变变形采用Norton型蠕变定律或类似双曲型稳态蠕变规律描述。
4.统一粘塑性根据连续介质不可逆热力学理论，与时间有关的蠕变变形和与时间无关的
塑性变形是不可分割的，应该以一套完整的本构方程描述。为此，许多学者在建立统一的
Sn--Pb铅料粘塑性本构模型方面进行了尝试，比较典型的有Skipor与Busso等人的工作。
Busso等人考虑了铅料的鲍氏效应，采用单一内变量描述蠕变变形和塑性变形，预测了铅料在---55C~125C温度区间，8X 10-2~8X 10-5应变率范围内的单向稳态蠕变行为。其采用的统一粘塑性方程如下：
1996年，Skipor对共晶铅料的单向力学响应时行了研究，其本构模型的建立基于统一粘
塑性的Bodner---Partom方程。描述为
尽管关于铅料本构模型的描述很多，但尚无一种普通认可的可精确描述SnPb铅料粘塑
性应力应变关系的本构方程，因此这方面的工作仍在完善中。
焊点疲劳寿命预测
研究表明，SMT焊点失效为低周疲劳失效。目前，判断低周疲劳主要有以下三种方法
1．M anson-Coffin 经验公式判断低周疲劳的传统方法为Manson-Coffin 经验公式。描述为：
式中，△& p-塑性应变范围，Nf-疲劳寿命，C-材料常数，n-应变指数。
Solmon等人对焊点在不同温度区间的Sn 6OPh40昔料的等温度疲劳寿命进行了研究。结果表明，M-C方程的指数与温度有关，在-55C ~125C范围内，疲劳寿命与塑性应变范围之间关系为N.Fenke、Norris和Landberg等人通过分析不同频率、循环温度幅值的焊点疲劳行为，提出了M-C方程的修正形式：
式中，f-循环频率，Tmax-最高循环温度，Q-活化能，K-波耳兹曼常数，m,n与材料有关的常数。
对于预测SMT焊点疲劳寿命的M-C方程中应变范围的取值，一直存在着争议。因为文献中根据不同的本构模型得出的决定疲劳寿命的主宰因素如塑性应变范围、蠕变应变范围或总应变范围不同，因此，关于Man so n-coffi n方程预测结果的精确性存在着争议。
2．断裂力学方法，根据断裂力学理论，焊点寿命分为裂纹萌生和裂纹扩展阶段、因此
，许多研究工作中采用如下的经验方程描述裂纹扩展规律：
其中，△ H为裂纹扩展的断裂力学判据，可能是应力场强度因子△K、J积分或循环塑性
功密度度厶WP,C,m为描述裂纹扩展阻力的经验参数.
应用上述方程预测结果可以得到试验验证,但是由于预测模型的建立未考虑金属学因素, 同时采用J积分作为判据应用于循环载荷条件受到限制?因此基于断裂力学进行SMT焊点疲劳寿命预测仍在探讨中.
3.体积平均法1997年，Akay等人系统研究了SMT焊点热循环寿命的影响因素认为，
焊点失效是各部分综合作用的结果，局部的高应变区的应变范围会随着网格密度不同而变化
，同时，应力应变的周期变化以及平均辐值对焊点疲劳都有影响，因此以一个热循环中焊点内高应变处的应变范围作为焊点的疲劳寿命判据的方法不能很好预测焊点疲劳寿命。Bilgic 等人提出了预测焊点疲劳寿命的体积平均法，即通过计算一个热循环中焊点内平均单元体积的应变能，求解出整个焊点的应变能作为判据，预测焊点的疲劳寿命，其通过实验给出的焊点疲劳寿命预测的经验公式如下：
WO,K疲劳系数，Wav-平均单元体积能量，V-单元体积。
采用的经验公式仍采用Manson-Coffin方程形式，但以材料循环中存储的不可逆应变能作
为焊点失效判据，是对Vavnman及W.Jung等提出的累积应变损伤方法的补充。Akay等人针
对LCCC焊点进行了试验研究，对Bilgic方程中的材料参数进行了修正。
2.3 SMT焊点形态预测与焊点可靠性分析集成优化的研究
改善SMT焊点形态是提高焊点可靠性的重要途径，只有集成焊点形成与焊点可靠性分析理论，在形态模型的基础上，进一步进行焊点可靠性分析，系统考察工艺参数对焊点形态
、焊点疲劳寿命的影响规律，并能指导电子产品的生产实践，关于焊点形式和焊点可靠性分析的理
论才具有实用阶值。
然而，在以往的研究工作中，对焊点形成和焊点可靠性研究有许多文献报导，而关于其
集成研究却很少，直到96年，G.Subbarayan[127-13提出了一种系统预测BGA、FP焊点形态及疲劳寿命的自动化方法，开创了焊点形态预测与可靠性分析集成的新局面。G.Subbarayan 根据BGA、FP 焊点几何对称的特点，建立了类似柱坐标的CAD系统，给出表面单元的形函数，并可由焊点表面网格直接生成焊点内部网格。因此，根据表面单元函数，描述焊点表面轮廓
曲线为铅料球直径及焊盘直径的二元函数，建立在表面张力、重力及外作用力下的系统能量方程，求解系统能量最小的时焊点形态，在形态预测的基础上，由焊点内部网格，进行焊点的力学分析，与实验相结合预测了焊点的疲劳寿命。DespandS等人继续发展了这种CAD集成
方法，分别用线形回归迭代及人工神经元网络的方法实现了焊点形态的优化设计，图12是基于形态优化设计的预测结果，可找到最高点所对应的铅料球直径、焊盘直径，从而得到最佳焊点形态但是，这种焊点形态优化方法只局限于BGA、FC等轴对称焊点，对于表面形态较复杂
的焊点仍无能为力。
哈尔滨工业大学基于能量最小原理和铅料的有限铺展条件，发展了Golamann等人的参
数有限元法，建立了LCCC焊点三维形态模型，采用有限元分析软件Surface Evolver对SMT 焊点三维形态进行了计算。并建立相应的力学模型，进行焊点可靠性分析，力求使SMT焊点形态预测与焊点可靠性分析相结合。图13是其针对预测的焊点力学分析模型。尽管这项研究工作使LCCC焊点形态预测与可靠性分析相联系，较以往的仅对BGA等轴对称焊点形态与可
靠性集成研究有所进步，但因其力学模型是建立在对焊点形态模型的近似构造基础上，网格划分与调整，需要手工进行，距离焊点形态预测与可靠性分析的有效集成仍存在较大差距。
回顾上述关于SMT焊点形态的焊点可靠性研究工作，在形态预测方面，在数学模型的建立及发展上取得了很多成绩，但这些模型的建立多针对具体的问题，因此应用中局限于局部特殊焊点的形态预测，尤其是焊点三维形态模型，仅针对PBGA等轴对称，且结构简单的
焊点的形态预测较成熟。对于其它较复杂的焊点如LCCC焊点，多采用基于最小能量原理的
有限元方法，在边界约束、能量约束的建立方面仍存在问题。此外，模型的应用过程中，初始数
据文件的建立，计算过程的控制、结果分析需要依赖专家进行，因此使用上受到限制。焊点形态预测与焊点可靠性理论分析尚未友好集成，因为，一方面，焊点力学模型与焊点形态模型不统一，即进行焊点力学性能分析时，需要用户重新构造力学模型；另一方面，在传统大型有限元软件中，SnPb铅料粘塑性本构关系尚无成型描述，需要有经验的用户建立。
因此，基于SMT焊点形态的焊点可靠性研究有必要从以下几方面进行努力：
(1)从系统研究角度出发，对于复杂焊点，建立焊点形态模型，并统一焊点形态模型于
一种方法如有限元方法中，给出一种方便有效的预测分析途径；
(2)焊点形态研究与焊点可靠性研究相结合，建立完善的焊点形态理论体系；
(3)建立实用化SMT焊点形态预测与控制系统，利于工程实践。
焊点可靠性之焊点寿命预测
— 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]：
焊点可靠性研究详解
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)
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
最新整理焊点可靠性试验的计算机模拟.doc
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，
WLCSP器件焊点可靠性
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.wendangku.net/doc/8e11720321.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
焊点可靠性研究
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
BGA焊点可靠性研究综述
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
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
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
(完整word版)焊点的质量与可靠性
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。
无铅焊点可靠性测试方法
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、
无铅焊点可靠性分析
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。
可焊性、焊接能力和焊点可靠性之评估和测试
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。
焊接可靠性测试相关技术
焊点可靠性分析技术要点 1.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。 润湿称量法则是将试样浸入焊锡中，测量提升时的荷重曲线，然后根据该荷重曲线，得出对润湿时间以及浮力进行修正后的润湿力。 以上两种方法为定量的方法，浸锡法则是定性的方法，是将试样浸入熔融焊料炉，观察焊料在镀层上的爬锡情况，凭经验定性评估镀层对焊料润湿情况，从而得出可焊性结论。这种方法具有快捷、方便和费用少等特点，但是它的重复性和再现性Gauge R&R差，两个人在不同时间进行同一测试可能会得出不同的结论。 可焊性的测试方法，代表性的标准为“IPC/EIA J-STD-003B印制板可焊性试验”和“IPC/EIA/JEDEC J-STD-002C元件引线、焊接端头、接线片及导线的可焊性测试”。润湿称量法由于其具有良好的重复性和再现性，受到多个标准的推荐使用。 影响可焊性的因素很多，主要有：焊料的合金组成、表面镀层（或者表面处理）、温度、助焊剂和时间等。目前用于电子装配的焊料合金，主要以锡添加其它金属组成，添加的金属类型和量的比例，对润湿性能有很大影响。镀层对润湿性能的影响，主要表现为两个方面：镀层的类型和镀层的老化。不同的镀层类型，其可焊性不同，另外，随着镀层由于存储时间的延长或其它原因造成老化时，其可焊性越来越差，但是不同类型的镀层老化对其可焊性的影响各不相同。温度对润湿性能也有很大影响，通常温度越高润湿性能越好。焊剂的活性越高，越能破坏镀层表面的氧化膜，越有助于提高润湿性能。时间的长短对于金属间化合物层结构的形成会造成影响。作为测量的标准并且确保测量的重复性和再现性，这些因素在试验前必须得到明确的规定。