【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第130页
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 上来 说 ， 有 明显 的本 质 差 异 ，而 这反 过 来 决定 了 相应 各 种 工作 环 境 下的 疲 劳 行 为和 退 化 机理 ， 进 而 决 定 疲 劳 寿命 。 应 注 意在实 际 应用 中，作 用于焊点 的 应 力通 常 是 …
秒，焊点峰值为200-220°C（对锡/铅），对无铅为
235-245°C。BGA封装中央焊球由于从再流焊过
程截留了热量，其峰值温度时间可能会超过推
荐值90秒。电路板温度在150°C以上的时间不应
超过4分钟，这项要求是出于FR-4的玻璃化温度
的需要（见J-STD-020）。
8 可靠性
可靠性是指在给定条件下，并在规定的时间内
产品以可接受置信水平提供指定功能的能力。
电子组件的可靠性需要在产品的研发阶段就开
展明确的设计工作以满足要求。可靠性在IPC-
SM-785中有定义。
短期可靠性受到早期寿命失效的威胁，这种失效
一般归结于生产质量的不充足。这些“早期失
效“可在出货前通过适当的筛选技术来减少，
但无法消除。长期失效是由组件设计不当引起
的过早磨损的结果。IPC-D-279中的设计指南是
很好的参
考。
IPC-9701中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
已有的模型中大部分都是针对具体产品的。
8.1 BGA可靠性驱动因素 当软钎焊料（锡/
铅或无铅）被用作BGA焊点将BGA封装连接到
PCB基板时，焊点在其使用寿命期间不断“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，焊点不退化到失去它们所需功能的水
平，不管是电气、热还是机械性能。
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。
焊料疲劳/蠕变损伤是由于内部电路运行、电源
开与关和／或外部环境温度暴露引
起温度变化
和波动造成的。热膨胀系数不匹配的系统在电
子封装和组件使用寿命期间，这些温度变化不
可避免地造成循环热应力，进而在焊点上造成
循环应变而导致热疲劳（与机械疲劳相对应）。
由于近期手持消费品的出现，焊点的机械可靠
性已成为增加的要求。冲击、电路板的瞬时和
循环弯曲以及振动是会影响焊点功能的主要应
力的产生因素。所有这些因素描述如
下。
8.1.1 循环应变 根据著名的焦耳定律，电子
元器件和电路在系统电源接通时会产生热量。
当电源切断后，热量随后通过传导、对流和辐
射的基本传热方式逐渐耗散至外部环境中，使
系统再次达到环境温度。电子系统运行期间有
许多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、不恰当工艺问题、在界面或其附
近由表面处理引发的问题，如金脆和其它金属
间化合物问题等所导致的非正常形成的焊点。
8.1.2 疲劳 疲劳是一种渐进的局部结构损伤
（原子以及更大量级），发生于焊点受到循环应
力作用时（加载和卸载）。当应力超过一定的阈
值时，微裂纹开始形成。这种局部损伤机理
将
疲劳从蠕变行为中分开。
随着循环应力的持续作用，裂纹会逐渐扩张并
最终达到临界尺寸，之后焊点会发生断裂。一
般疲劳过程会经历三个阶段：裂纹初现、裂纹
扩展和断裂。对于电路中充当电气、热和机械
互连作用的焊点来说，机械断裂通常不是实际
的失效标准。电气性能，由于裂纹导致测量电
阻的增加，作为失效的标准。电气失效常
发展
为机械断裂。如果系统中存在腐蚀性因素，也
会发生腐蚀增强疲劳。
疲劳强度，与疲劳寿命相关联，定义为在给定
循环次数作用后，当失效发生时的应力值。疲
劳强度不仅取决于特定的焊料合金材料、极端
高温和低温，同时也受其它因素影响：表面缺
陷、刻痕、孔洞、残余应力、空洞、气孔孔隙率
以及杂质。在疲劳环境
下，所有这些“瑕疵或
缺陷”成为应力集中的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
断然驳回的原因，实际上一些测试结果没有显
示出在有和没有此类缺陷之间存在性能差异。
在原子层面，焊点疲劳机理起始于错位运动，
并形成核短裂纹滑移带。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
2013年1月 IPC-7095C-C
115
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上来说，
有明显的本质差异，而这反过来决定了相应各
种工作环境下的疲劳行为和退化机理，进而决
定疲劳寿命。
应注意在实际应用中，作用于焊点的应力通常
是随机的，而非“定期”循环，如在AT C
（加
速温度循环）测试中经常采用的参数那样。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。基于内在的金相结构，与锡/铅共晶
系统相比，这种挑战性在SAC无铅系统中会升
级。
实际上，疲劳现象涉及到偶然性、随机性和概
率。这也是为何一个简单的AT C 测试几乎不能
确定结论的原因。按理说，测试数据应该符合
科学原理并要检查、平衡基本科学原
理；在这种
情况下，即是要符合基本的冶金和断裂力学。
8.1.3 蠕变 另外，对于软钎焊料而言，即便
在室温下（298±5°K），达到其同源温度也远超
0.5。因此，蠕变行为也会如预期所发生，这会
使整个退化行为和失效机理的变得复杂，因为
受到蠕变和疲劳过程的交互作用。与疲劳形成
对照，焊料
蠕变定义为时间相关变形，是不可
逆的和全面的。
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。当施加并保持应力时，
焊料会在弹性和／或塑性区域以瞬时应变来响
应。理论上来说，这种时变变形可以发生在绝对
零度以上的任何温度，尽管这过程十分缓慢。
在低温区，蠕变应变是非常有限的且变形
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（形变对时间的关系）由三个
阶段组成：初级、第二级以及第三级。在初级阶
段，由于当焊料变形时结构发生了变化，瞬时
应变率由极高的初始值开始迅速降低。第二级
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。错位攀升或滑动通
常被认为是蠕变速率决定阶段，蠕变率在此阶
段达到一个稳定状态，它是两种抵触的冶金过
程 平衡的 结 果 -应变硬化和复原（一种软化效
应）。焊 料 塑 性形变越大，其继续形变就越困
难。加工硬化由错位缺陷的产生及其互相作用
而引起的，
其表现为阻碍助长形变过程。在较
高的温度下，加工硬化可能会被复原部分或完
全抵消掉。在这种情况下，会发生按时间的、
热活化的、应变能量释放的软化过程。当加工
硬化速率与复原速率相等时，形变会达到动态
稳定状态。
当软化效应和增加的应力克服了应变硬化，第
三阶段就开始了，此时蠕变率会不断加速直至
断裂发生。此阶段通
常与结构变化相关，如再
结晶的开始、粗化并形成内部裂纹和／或断裂
前身的空洞。
这两种现象分别与微观结构中的不同参数组和
原子级别材料性质相关联并受其控制。
8.1.4 蠕变和疲劳的交互作⽤ 现实电子产品
中的焊点通常会暴露在会同时导致疲劳和蠕变
的状况下，并且它们会有交互作用。简言之，
这种环境可被视为循环热负载下的蠕变或高温
下的疲
劳。蠕变和疲劳之间交互的本质使焊点
退化行为和潜在的失效机理复杂化。
因此，焊点固有的退化并最终导致失效，基本
不可能是单独的蠕变或疲劳失效，而是疲劳和
蠕变交互作用的结果。并且蠕变和疲劳的机理预
计是以一种竞争的、交替的或互相促进的方式
起作用，这取决于外部气候和内部电路的运行
环境两者的使用
条件。在经常采用的加速温度
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，认为退化现象要么是蠕变恶
化的疲劳要么是疲劳加速的蠕变。
可靠性是一个相对的术语。系统的运行条件必须
要规定，同时功能作用的时间段也需要规定。
在工程中，可靠性是在给定的一组条件下，在
预期的时间内，系统无故障完成所需功
能的概
率。威布尔分布（Weibull distribution）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。由于Weibull图是一种计算Weibull分布参
数的简便方法，几乎所有与无铅可靠性相关的
出版物都包括有Weibull图，它用于绘制关于时
间对失效数据的经验累积分布。
IPC-7095C-C 2013年1月
116
8.1.5 机械可靠性 机械可靠性是指BGA互连
对于机械扰动的响应。这些扰动包括冲击事件，
可能会发生于运输、安装或者现场使用时；瞬
时弯曲，可能会发生在制造过程中（ICT测试、
功能测试、安装等等）或现场使用中；循环弯
曲，例如在BGA附近的重复键击，或由风扇或
在系统中（或其附近）的马达引起的振动。所
有以上扰动源（或其它）会影响BGA互连的机
械完整性
，在使用BGA时所有这些都应被考虑
到，因为它们特别易受应力弯曲的影响。
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。
8.1.5.2 瞬时弯曲 瞬时弯曲，或屈曲，表 征为
应变低次数（典型为1至10次屈曲事件）相对较
慢的应变。这种弯曲事件可由制造过程中引发，
特别在测试装置中，
诸如ICT或使用弹簧型探针
的功能测试器，连接器插入时或将PCA螺钉拧
入机箱时。瞬时弯曲也会发生在元件维修、运
输以及终端使用过程中。如同冲击一样，这些失
效典型地发生在互连界面中，并会引起或者是完
全开路，或者是存在潜在风险的部分开裂，部
分开裂最终在实地会有完全开路的潜在风险。
8.1.5.3 循环弯曲 循环弯曲
特点是由许多的相
对低级别的应变事件。这些事件次数可达数千
甚至更多，通常由重复性的动作导致，如键盘
动作、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（相比于上述其它机械应力）。
当BGA靠近振动子系统，例如电机、
风扇或者硬
盘驱动器时，振动会对它产生冲击。有可能，
如果互连系统所承受的应力达到界面断裂点的
程度时，振动可能加剧这种问题，导致电气开
路；但这还没有得到很好的理解。
8.2 焊料连接的损伤机理和故障 电子组件的
可靠性取决于热机各要素的总和以及这些要素
间电气界面（或连接）的可靠性。表面贴装焊接
互连，是互连界面类型的一种但又是独特的，
因为这种焊点不仅可提供了电气互连，而
且也
是电子元器件到印制电路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
用状况下才有这种评估。
元器件、基板和焊点这三者的特性以及使用条
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。
与锡/铅焊料相比，大部分无铅焊料的一般特性
包括（1）显著增加的合金
刚度，（2）显著降
低的蠕变速率、（3）较困难的适度延展性以及
（4）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
率所导致的后果是无论当温度变化造成热膨胀
不匹配还是当PCB/元器件翘曲或弯曲时会对整
体焊接结构产生较大的应力。这些较高的应力，
加之由于不充分润湿或界面
结构薄弱造成的焊
料到基材连接强度不够，可能会导致界面脆化
失效。
8.2.1 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
焊点在热疲劳试验，如温度循环期间形成为不同
的损伤机理。共晶锡/铅焊料的微观结构是多纹
理的，每个BGA焊点有许多个体富铅（黑相）
和富锡（亮色相）纹理析出，如图8-1所示。相
反地
，每个SAC BGA焊点很少有锡纹理。这些
纹理可在剖面偏振光下观察到。图8-2显示了SA
C BGA焊点的两个示例。左边的有6种纹理，然
而右边的整个焊点完全由单一纹理组成。
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。这些粗化的纹理会比
初始硬化的纹理要
柔软，并促进了裂纹扩张，
如图8-3所示。
对于无铅SAC BGA焊点，当受到热 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
2013年1月 IPC-7095C-C
117