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．问题描述1.1 SMT 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。
1.2 SMT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84I/O非城堡型LCCC焊点的剪切性能在25℃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=100℃)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。
1.3 SMT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．国内外研究现状2.1 SMT焊点形态预测研究2.1.1 SMT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。