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IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 147 8.1.5.2 瞬时弯曲 瞬时弯曲（或挠曲） ，表征为应变相对较慢的低频次挠曲（典型为 1 至 10 次挠曲事件） 。 这些事件可由制造过程诱发，特别是： • 测试装置中诸如使用弹簧型探针的 ICT 或 FT • 连接器插入时 • 用螺丝将印制板拧入机箱时 • 次级组件的模块化组装（支架系统）时 瞬时弯曲也会发生在元件维修、 运输以及终端使用环境中。如同冲击一样， 这些…
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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。
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8.1.5.2 瞬时弯曲
瞬时弯曲（或挠曲），表征为应变相对较慢的低频次挠曲（典型为 1 至 10 次挠曲事件）。
这些事件可由制造过程诱发，特别是：
• 测试装置中诸如使用弹簧型探针的 ICT 或 FT
• 连接器插入时
• 用螺丝将印制板拧入机箱时
• 次级组件的模块化组装（支架系统）时
瞬时弯曲也会发生在元件维修、运输以及终端使用环境中。如同冲击一样，这些失效典型地发生在互连界面中，
并会引起完全开路，或是因为部分断裂而在现场最终完全开路的潜在现场风险。
8.1.5.3 循环弯曲
循环弯曲的特点是含有数千甚至更多次数的事件但应变级别相对较低。这些事件通常由重
复性的动作导致，如键盘动作、触摸屏导航，运输和连接器插入或拔出（例如笔记本接口）。随着时间推移，
疲劳失效可能会出现。
8.1.5.4 振动
振动的特点是持续小幅度位移同时频率相对较高（相比于 8.1.5.1 至 8.1.5.3 中描述的其它机械
应力）。当 BGA 靠近振动子系统（如电机、风扇或者硬盘驱动器）时，振动会对它产生影响。如果互连系统
所承受的应力达到界面断裂点时，振动可能会加剧这种问题而导致电气开路；但是，这种失效的机理还没有搞
清楚。
8.1.5.5 持续加速
在某些应用中，可能会对带有 BGA 互连的印制板施以持续加速。施力可能是线性的或旋
转的。持续的加速可以认为是对 BGA 器件相对于印制板持续施力。这可能是：
• 把 BGA 压入印制板
• 把 BGA 拉离印制板
• 推 / 拉 BGA 发生任何维度的偏离
该作用力可以通过 BGA 器件的加速度和质量来计算。持续加速可通过测试来模拟，包括施加实际加速度的机
制或在 BGA 互连上持续施加适当的作用力。
8.2 焊料连接的损伤机理和失效
电子组件的可靠性取决于要素间热、机和电气界面（或连接）的各个要素
可靠性的总和。表面贴装焊接互连，是互连界面类型中的一种但又是独特的，因为这种焊点不仅提供了电气互
连，而且也是电子元器件到印制板之间唯一的机械连接，它通常也提供关键的热传递功能。单个焊点没有所谓
的可靠或者不可靠，只有在具体应用背景下才有这种评估。
元器件、基板和焊点这三要素的特性加上使用条件、设计寿命和可接受故障概率决定了表面贴装焊接互连的可
靠性。
使用无铅焊料时有些额外的考量。与锡铅焊料相比，大部分无铅焊料的一般特性包括：
• 显著增加的合金刚度
• 显著降低的蠕变速率
• 较困难的适度延展
• 显著上升的焊接温度
较大的刚度或较低的延展性以及较低的蠕变速率导致的后果是，当温度变化时对整体焊接结构产生的较大应
力。这会导致 CTE 不匹配，或印制板 / 元器件翘曲或弯曲。这些较高的应力，加之焊料到基材连接强度薄
弱（由于不充分润湿或界面结构薄弱），可能会导致界面脆性失效。
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8.2.1 锡银铜（SAC）对锡铅 BGA 焊点的热疲劳裂纹生长机理的比较
与 SAC BGA 焊点相比，共晶锡铅焊
点在热疲劳测试（如温度循环）期间形成不同的损伤机理。
图 8-1 显示了由于热疲劳引起的焊料微观结构变化。在
此疲劳中，BGA 经受了热循环疲劳（-55°C 至 125°C
的循环 500 次），导致焊点以 X 图形状微观结构明显粗
化。在理想情况下，由于 CTE 不匹配引起的最大剪切
应力平面将呈 45°角（如图 8-1 所示）。图 8-1 中没有
明显的疲劳裂纹，但如果热循环继续，沿着 45°角的
剪切面之一就会形成裂纹。
图 8-2A 显示了已经经受了热循环疲劳（-55°C 至
125°C 的循环 500 次）的 BGA 在裂纹区域形成了明显
的微观结构粗化，导致焊点疲劳。焊点大部分微观结
构变化不大，主要由于 CTE 不匹配导致元器件焊盘 /
焊点界面的剪切应力。
除了在元器件焊盘 / 焊点界面和印制板焊盘 / 焊点界面
处显示有微观结构粗化，图 8-2B 与图 8-2A 基本相同。它也显示了元器件焊盘 / 焊点界面的疲劳裂纹。裂纹约
为界面宽度的 60%，导致焊点失效。
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图 8-2 热循环后的 BGA 显示有疲劳裂纹的裂纹（A）和 粗 化（ B）
对于共晶锡铅 BGA 焊点而言，在温度循环过程中，纹理粗化现象发生在由于热膨胀不匹配造成的应变积聚的
焊点区域。这些粗化的纹理比初期固化时的纹理更柔软，并促进了裂纹扩张（见图 8-3）。
当无铅 SAC BGA 焊点受到热循环作用时，会在热机应力较大的区域发生纹理再结晶现象。这些再结晶纹理比
原纹理的尺寸要小且更易发生纹理边界滑动和蠕动变形。这会使疲劳裂纹沿着再结晶区域扩张（见图 8-4）。
图 8-1 由于热机械疲劳导致的焊点裂纹示例