HDI廠無鉛焊點可靠性問題分析及測試方法

文章來源：作者：梁波靜查看手機網址

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人氣：4825發布日期：2018-10-20 11:23【大中小】

隨著電子信息產業的日新月異，微細間距器件發展起來，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，對可靠性要求日益提高。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異材間電氣及剛性機械連接（主要承受剪切應變），它的質量與可靠性決定了電子產品的質量。

　　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量是一個重要問題。傳統鉛錫焊料含鉛，而鉛及鉛化合物屬劇毒物質，長期使用含鉛焊料會給人類健康和生活環境帶來嚴重危害。

目前HDI廠對無鉛軟釬焊的需求越來越迫切，已經對整個行業形成巨大沖擊。無鉛焊料已經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的調整，必不可少地會給焊點可靠性帶來新的問題。因此，無鉛焊點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無鉛焊點可靠性的因素，同時對無鉛焊點可靠性測試方法等方面做了介紹。

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；另一方面，就是要提高焊點的可靠性。這就要求對失效產品作必要的分析，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、結構參數、焊接工藝等，焊點失效模式對于循環壽命的預測非常重要，是建立其數學模型的基礎。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的清洗工藝可能會導致焊點失效。SMT焊點可靠性問題主要來自于生產組裝過程和服役過程。在生產組裝過程中，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境溫度的周期性變化會使焊點經受溫度循環過程。封裝材料問的熱膨脹失配，將在焊點中產生應力和應變。如在SMT中芯片載體材料A1203陶瓷的熱膨脹系數（CTE）為6&TImes;10-6℃-1，而環氧樹脂／玻璃纖維基板的CTE則為15&TImes;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為1％～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。

　　由于焊點是因熱膨脹系數不匹配產生熱應力而開裂并導致失效，所以提高無引線元件與基板材料的熱匹配最容易成為人們首先關注的問題。目前已研究開發出42％Ni-Fe合金（CTE=5&TImes;10-6℃-1）、Cu-36％Ni-Fe合金（銦瓦合金）、Cu-Mo-Cu及石英纖維復合材料等新材料，其中Cu-銦瓦-Cu復合基板改變其中各成份比例，用此基板鉛焊的焊件經1500次熱沖擊實驗，無焊點失效。另外還開發了在印制板上復合一層彈性較大的應力吸收層，用以吸收由于熱失配引起的應力等方面的技術，也取得了比較好的效果。但新型基板材料的工藝復雜，價格相對昂貴，其實用性受到一定限制。

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