IPC-7095D-CHINESE NP 2019 - 第161页
IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 145 • 表面缺陷 • 刻痕 • 孔洞 • 残余应力 • 空洞 • 气体孔隙率 • 夹杂物 • 残留或外来材料 在疲劳环境下，所有这些瑕疵或缺陷都充当应力集中部位而诱发局部损伤。 这就是诸如空洞或表面裂纹这类缺陷不应该被断然忽视的原因，即使此类缺陷是否存在在一些测试结果上没有 显示出性能差异。 在原子层面，焊点疲劳机理起始于错位运动 ，并形成内核空洞的滑移带。在微观结构上 ，…
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早磨损的结果。IPC-D-279 中的设计指南是一份很好的参考资料。
IPC-9701 提供了可靠性鉴定要求并定义有完善的测试方法。对于无铅焊料连接，IPC-9701A 包含加速焊点可靠
性测试指南。对各种无铅焊料，在缺乏认可的加速度模型的情况下，基于加速热循环的可靠性要求难以确立。
开发出的已有模型中大部分都是针对具体产品且是基于焊球冶金的。
8.1 BGA 组件的可靠性因素
当软钎焊料（锡铅或无铅）用于 BGA 焊点以连接 BGA 封装到印制板时，焊点
在其服役寿命期间不断“磨损”，这种退化过程是不可避免的。焊点可靠性的目标是要确保在指定的服役寿命
和预期使用环境下，焊点能保证它们所需的电气、热和机械性能。
没有其它外来原因时，焊点失效常常归因于疲劳和蠕变的交互作用而发生热－机可靠性问题。BGA 封装与印
制板为刚性连接，在 BGA 封装和印制板之间有很高的刚度。
焊料疲劳 / 蠕变损伤是由于内部电路运行、电源开与关和／或暴露于外部环境引起的温度变化和波动造成的。
这些温度变化不可避免地造成循环热应力，导致在电子封装和印制板组件服役期间，循环应变作用在 CTE 不
匹配系统中的焊点，其结果是导致热疲劳（与机械疲劳相对）。
由于手持设备市场的增长，焊点的机械可靠性已成为这些产品额外的要求。印制板冲击、瞬时弯曲和循环弯曲
以及振动是损伤焊点功能和可靠性的主要应力产生因素。所有这些因素在 8.1.1 至 8.1.5 中描述。
8.1.1 循环应变
当接通电源电子系统稳态和瞬态运行时，热量会从电子元器件和电路中产生。当电源切断后，
热量逐渐耗散至外部环境中，直至系统再次达到环境温度。这是通过传导、对流和辐射等基本热传递方式实现
的。电子系统在服役期间有多个这样的温度循环是可预期且不可避免的。
排除其它外部因素，焊点固有的老化过程包含两种科学现象 - 疲劳和蠕变。其它外部原因包括：
• 由润湿问题导致的不恰当的焊点形成
• 过程控制不足
• 印制板特征设计不恰当
• 在界面或其附近由表面处理引发的问题（如金脆）
• 其它金属间化合物问题
8.1.2 疲劳
疲劳是焊点受到循环应力作用时（负载和空载）发生的一种渐进的局部结构损伤（原子量级及较
大量级）。当应力超过某阈值时，微裂纹开始形成。这种局部损伤机理将疲劳和蠕变行为得以区分。
随着循环应力的持续作用，裂纹会扩张并最终达到临界尺寸，导致焊点发生断裂。一般疲劳过程会经历三个
阶段：
1）裂纹初现
2）裂纹扩张
3）断裂
焊点在电路中充当电气、热和机械互连功能，机械断裂通常不是失效判别的可操作标准，但它可能会部分影响
到器件的功能性。由于裂纹会导致测量电阻值的增加，因此电气性能通常可作为失效的标准。电气失效常演变
为机械断裂。如果存在腐蚀性因素，也会发生腐蚀增强疲劳。
疲劳强度（与疲劳寿命相关），定义为在一定次数的循环作用后当失效发生时的应力值。疲劳强度不仅取决于
具体的焊料合金材料、高温和低温极限，同时也受其它因素影响：
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• 表面缺陷
• 刻痕
• 孔洞
• 残余应力
• 空洞
• 气体孔隙率
• 夹杂物
• 残留或外来材料
在疲劳环境下，所有这些瑕疵或缺陷都充当应力集中部位而诱发局部损伤。
这就是诸如空洞或表面裂纹这类缺陷不应该被断然忽视的原因，即使此类缺陷是否存在在一些测试结果上没有
显示出性能差异。
在原子层面，焊点疲劳机理起始于错位运动，并形成内核空洞的滑移带。在微观结构上，SEM 检查中观测到
的结果通常为晶粒粗化。晶粒尺寸对于疲劳很重要——越小越好。然而当其它缺陷，如表面缺陷存在时，则该
缺陷起决定作用。
对比 SAC 无铅焊点和锡铅焊点，从决定其各自的错位系统、微结构以及金相的冶金学来说，有明显的本质差异，
而这决定了对应各种服役条件下的疲劳行为和退化机理并且影响疲劳寿命。
在实际应用中，作用于焊点的应力通常是随机的（但在设计极限内和预期应用环境内），而非固定循环如加速
温度循环（ATC）测试中经常采用的参数那样。如果应力超出设计极限或元件在超出预期应用环境下运行，除
了那些测试阶段重复的失效机理，不同的失效模式可能会传播。由循环测试数据推断出在实际随机应力下的表
现是个挑战。基于基础冶金学原理，与锡铅共晶系统相比，SAC 无铅系统的这种挑战性会得到调整。
实际上，疲劳现象涉及到可能性、随机性和概率。因此一个简单的 ATC 测试不完全能得出结论。显而易见测
试数据应该符合科学原理，数据需要核对并与基本的科学原理相称，在这种情况下即是要符合基本的冶金学和
断裂力学原理。
8.1.3 蠕变
对于软钎焊料而言，即便在室温下（25°C±5°C），也达到远超 0.5 的同源温度。同源温度表示
材料温度与其熔点温度的比值。因此，蠕变行为会按预期发生。因为受到蠕变和疲劳过程的交互作用，这会
使整个退化行为和失效机理的变得复杂。焊料蠕变定义为随时间变化的形变，与疲劳相反，它是不可逆的和
全局性的。
当施加并保持应力时，焊料弹性和／或塑性区域会有瞬时的应变响应。随着时间的推移，焊料可能以时变的
方式继续变形并最终失效。理论上来说，这种时变变形可发生在绝对零度以上的任何温度，尽管这过程十分
缓慢。在低温区，蠕变应变非常有限，且变形通常不会导致最终断裂，应变会以对数的速率累积。在高温区
域，蠕变曲线则偏离对数关系。
典型的蠕变曲线（变形对时间的关系）由三个阶段组成：
1）初始阶段
2）第二阶段
3）第三阶段
在初始阶段，焊料变形时由于结构发生了变化，瞬时应变率由极高的初始值开始迅速降低。第二阶段，蠕变开
始出现在温度高于合金熔点的一半时，且与自扩散过程密切相关。通常认为错位攀升或滑动是蠕变速率决定阶
段，在此阶段，蠕变率达到一个稳定状态，它是两种相逆的冶金过程平衡的结果 - 应变硬化和回复（一种软化
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效应）。焊料塑性变形越大，其继续变形就越困难。加工硬化由错位缺陷的产生及其互相作用而运行，其表现
为阻碍变形过程进一步发展。在较高的温度下，加工硬化可能会被回复部分或完全抵消掉。在这种情况下，会
发生随时间变化的、热活化的、应变能量释放的软化过程。当加工硬化速率与回复速率相等时，变形会达到动
态稳定状态。
当软化效应和应力的上升克服了应变硬化，第三阶段就开始了，此时蠕变率会加速直至断裂发生。此阶段通常
与断裂前的结构变化（如再结晶的开始、粗化和内部裂纹和／或空洞的形成）相关。
这两种现象相互联系，并受控于材料性质在微观结构和原子级别上的不同参数集。
8.1.4 蠕变和疲劳的交互作用
电子产品中的真实焊点通常会同时暴露在导致疲劳和蠕变的条件下。它们会有
交互作用，这种环境本质上可视为循环热负载下的蠕变或高温下的疲劳。蠕变和疲劳之间相互作用的性质使焊
点退化行为和潜在的失效机理复杂化。
导致焊点最终失效的焊点固有退化，基本不可能是单纯的蠕变或单纯的疲劳，而是疲劳和蠕变交互作用的结果。
并且，预期的蠕变和疲劳失效机理以一种竞争的、交替的或互相促进的方式运行，这取决于外部气候和内部电
路的运行环境这两者结合的服役条件。在加速温度循环测试中，蠕变和疲劳过程也会交互作用。从工程角度来
说，人们认为退化现象是蠕变恶化后的疲劳是或疲劳加速后的蠕变。
可靠性是一个相对的术语，基于产品应用有不同的预期，因此必须要规定这些预期。威布尔分布（Weibull dis-
tribution）是一种广泛运用于可靠性工程和失效分析的连续概率分布。因为有这种性质，Weibull 图是用来说明
失效次数或频次并生成关系图以帮助获取分布参数的一种常用方法。它也是一种经验累积数据分布，基于样本
大小以及给定样本大小中观察到的失效数量，说明在特定置信区间下时间与失效的关系。
8.1.5 机械负载下的可靠性
以下情形有助于在机械扰动下对 BGA 互连的可靠性进行分类。
• 冲击事件，可能会发生于运输、安装或者现场使用中
• 瞬时弯曲，可能会发生在制造过程中（ICT、FT、安装等）或现场使用中
• 循环弯曲（如，在 BGA 附近的重复键击）
• 由系统内 / 附近的风扇或马达引起的振动
• 持续加速
以上扰动源（以及其它）会影响 BGA 互连的机械完整性。在使用 BGA 特别是易受弯曲影响的器件时，应该
考虑所有这些因素。
IPC/JEDEC-9704 是用作放置应变片并随后采用应变片测试印制板组件的一种方法。该方法描述了在印制板组
件制造过程中采用应变片测试组件的具体指导，包括组装、测试、系统集成和可能会引起板挠曲其它类型的操
作。应变测量包括粘贴应变片到指定元器件附近的印刷板上，然后对待测试板进行各种测试、组装和操作。超
过应变极限的步骤应确认过应变并予以识别，进而采取纠正措施。应变极限可能来自客户、元器件供应商或内
部最佳做法。
8.1.5.1 冲击
冲击具有极其高速的特征，使得互连材料没有足够的时间对施力作出响应。冲击可由跌落或
撞击产生，并且会在产品寿命周期中的任何时间发生，尽管运输和最终使用环境下的冲击事件最为典型。冲
击可导致 BGA 互连部分或全部分离，这种分离可发生在构成 BGA 完全互连的任何界面处。即便是部分界面
断裂，在产品整个寿命中，最终也会引起 BGA 电气失效。较脆的材料和界面特别容易发生由冲击而引起的
失效。