IPC-7093 CN 2011 底部端子元器件(BTC)设计和组装工艺的实施.pdf - 第101页
8.5 可靠性设计( DfR )⼯ 艺 针 对表面贴装焊 点疲 劳 行 为 已 在 实 验基 础 上 进 行 了 很 多 研究。 确保 与 典 型电子 产品 实际 损伤机理相 同的研究 结 果已 经导出了焊 点疲 劳的 数学模 型。 因 为可 利 用 更 多 的 测试 结 果 ， 这 一 模 型 已被 扩 展为 当 前 的形 式 ，出 现 在 IPC-D-279 中。 该 模 型 适 用于 没 有 涂覆层 的焊接。 敷 形 涂覆 复 杂…
8.3.2 焊料填充形成 BTC供应商一般不要求
在封装趾部形成焊料填充，通常的共识是这些
填充能改善可靠性。BTC的边缘或趾部侧面会
形成焊料填充。因为BTC供应商在元器件分离
后不会保护外露铜以免氧化，所以不应该期望
对趾部形成填充。
表面贴装工艺参数也影响填充形成。其它变量为
PCB焊盘大小、焊膏量、焊膏助焊剂活性、再
流焊环境和间隙高度。当填充形成时，它增加
了焊点结合长度，要形成裂
纹需要较长路径。
8.3.2.1 检验BTC的⽅法 检验BTC虚焊连接和
冷焊的一个有效办法需要：
1. 焊膏检查仪(SPI)确定是否有足够的焊膏；
2. 自动光学检测仪(AOI)检查元器件边缘或两
侧填充；
自动X光检测仪(AXI)也可检验焊料是否充足。
在 这种情况下，SPI系 统就没有必要了，但仍
需要AOI。重要的是要知道单独AXI不具备所需
的检测覆盖率
，以防止BTC组件的缺陷如虚焊
和冷焊。
8.3.2.2 可 见 侧⾯ 填充需要BTC有可湿 润的
侧⾯ 在以上讨论的方法中，AOI系统是用来通
过评估元器件边缘可见的焊料填充来确定BTC
组装是否良好。在再流焊后，要达到外部可视焊
料填充需要BTC元器件边缘有可湿润的侧面。
BTC周边边缘(例如JEDEC MO220中的QF元器
件)在切割或冲压分离表面/侧面基本上都有露
铜。只
要铜没有显著氧化，这些铜外露区域是
可湿润的。然而即使经过几天储存后，铜表面
可能已氧化以至于使用一般的免清洗助焊剂也
不再有充分的湿润。基于这个原因，没有特别
处理的QF引线外露铜区域是不期望有润湿焊
接的。见图8–4的QF例子。
8.3.2.3 BTC侧⾯可润湿性规范 JEDEC MO220
定义了QF元器件的基本特性，这些一般也应
该适用于所有BTC
。另外，以下对于BTC侧面
可湿润性的规范也是需要的：
• 每一IO引线必须在元器件边可视侧面(不内缩
I/O引线)。
• 每一侧边必须是可湿润的。
• 模封化合物不允许溢出至IO引线侧面。
• 不可见IO双排或多排引线不能用此方法检查。
侧边应当也可以满足与其它元器件相同的可焊
性要求。
8.3.3 板厚 薄印制板有更好的板级可靠性。
印制板基材FR4 (~
17ppm/°C)的CTE比封装模封
化合物大(~10 ppm/°C)。薄印制板通过弯曲减
少了由于PCB与封装间整体CTE不匹配而产生
的循环应变，从而增加了焊点疲劳寿命。测试在
10mm-68引线和5mm-32引线封装上执行，用0.8
mm和1.6mm厚的板子，表明薄板疲劳寿命至少
有30%改善。见图8-5。
8.4 散热焊盘空洞 散热焊盘空洞会导致可靠
性问题。没有规则定义可接
受的空洞水平。这
由具体的元器件和元器件的使用条件而定。只
要在最大运行条件下，热焊盘对冷却要求能提
供足够的覆盖，那就可接受。这些要求应该由
热模型导出。
IPC-7093-8-3-cn
图8-3 7mm BTC封装，焊盘尺⼨对疲劳寿命的影响
100.0 10000.01000.0
1.0
5.0
10.0
50.0
90.0
99.0
ཡ᭸ᗚ⧟⅑ᮠ
㍟〟ཡ᭸Ⲯ࠶∄
ေᐳቄ
7mm-28
W2 RRX - SRM MED
F=30 / S=0
β1=8.60, η1=2124.93, ρ=0.98
7mm-48
W2 RRX - SRM MED
F=23 / S=7
β2=9.61, η2=1106.65, ρ=0.93
IPC-7093-8-4-cn
图8-4 带有可湿润侧⾯的QF
PCB
QFN
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✺⛩
IPC-7093-C 2011年3月
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8.5 可靠性设计(DfR)⼯艺 针对表面贴装焊
点疲劳行为已在实验基础上进行了很多研究。
确保与典型电子产品实际损伤机理相同的研究
结果已经导出了焊点疲劳的数学模型。因为可
利用更多的测试结果，这一模型已被扩展为当
前的形式，出现在IPC-D-279中。
该模型适用于没有涂覆层的焊接。敷形涂覆复
杂性和巨大的差异性，使它不可能考虑所有变
量而开发一个通用模型。具有敷形涂覆的产品
应该用带
有和不带有相同涂层的测试样品进行
评估，以鉴定涂层对可靠性的影响。
改 善 可 靠性DfR的适当措施可采取两种形式之
一，但将两者优化组合使用可以增加可靠性的
裕度。这些措施是：
1. 热膨胀系数合 理 调整以减少整体膨胀不匹
配；
2. 增加连接的兼容性来适应整体膨胀不匹配；
3. 用合适的底部填充材料来机械连接元器件和基
材，以消除整体膨胀不匹配的影响
。
此外，旨在高可靠性的DfR流程也应该包括：
4. 选择与焊料间没有太大的局部CTE不匹配的
基板材料；或
5. 如果第4项不能完成, 降低连续的润湿长度，
以减小界面应力。
CTE合理调整包括选择PCB和/或元器件的材料
或材料组合来达到最佳CTE设计。对于耗散功率
的主动元器件，其最佳DCTE(CTE设计)是~1-3
ppm/°C
(取决于耗散的功率)同时印制板具有较
大CTE，对被动元器件来说，为0ppm/°C。当
然，由于组件有多种元器件，全面CTE最佳化
不可能对所有元器件都达成。它需要在对可靠
性有最大威胁的元器件上实行。对有气密性要
求的军工用途，需要采用陶瓷元器件，CTE调
整意 味着对PCB材料CTE有限制，这种材料如
Kevlar
™
和石墨纤维物料，或因瓦铜夹芯板和铜
钼夹芯板。选择玻璃纤维环氧树脂和玻璃纤维
聚酰亚胺作为PCB材料对大多数商业应用来说
太贵。因此，CTE合理调整要避免较大尺寸元
器件，比如陶瓷封装(CGAs、MCMs)，使用合金
42引线框的塑料封装(TSOPs、SOTs)，或有着
刚性结合芯片的塑料封装(PBGAs)。
增加BTC焊接的连接柔性意味着要增加
焊点高
度(见章节8.2.7)或切 换 到 柔性带引线连接技
术。对柔性带引线连接，增加引线的柔性意味
着改变元器件供应商以切换到有较高柔性的那
些引线图形或切换到细间距技术。
DfR程序需要强调失效物理学的观点而不忽视失
效统计分布。这一程序可能包括以下几步：
1. 识别可靠性要求：预期设计寿命和设计寿命
结束时可接受累积失效概率。
2. 识别负载条件：使用环境(例如
，IPC-SM-785)
和由于功率耗散产生的散热梯度，这可能是
会变化的，并产生大量微循环(能源之星)。
3. 识别/选择组装结构：零部件和基材选择、材
料 性 能(例如，热膨胀系数)和连接几 何形
状。
4. 评估可靠性：确定 已设计组件的可靠性潜
能，用IPC-9701所示的方法或其它合适的技
术比较可靠性要求，这个过程可能要反复。
5. 平衡绩效、成本和可靠性的要求。
8.5.1 磨损机制 影响任何焊点连接可靠性的
主要失效机理是热力过程的损伤累积
，比如蠕
变和疲劳。失效也由导致开路的金属电迁移和
热迁移引起。化学反应或会引起腐蚀和增强金
属间离子迁移(短路)的物质会增加热机械失效
和电气失效。在现场从未观察到焊料凸起的磨
损失效。这表明了焊料凸点的稳健性以及可靠
性模型的保守性，这将在随后进行解释。
IPC-7093-8-5-cn
图8-5 威布尔图显⽰在长疲劳时间下薄板结果
100.0 10000.01000.0
1.0
5.0
10.0
50.0
90.0
99.0
ཡ᭸ᗚ⧟⅑ᮠ
㍟〟ཡ᭸Ⲯ࠶∄
ေᐳቄ
W2 RRX - SRM MED
F=26 / S=4
β1=13.69, η1=1254.23, ρ=0.97
Thick
W2 RRX - SRM MED
F=29 / S=1
β2=9.42, η2=854.83, ρ=0.94
PPᓖᶯ
-
PPᓖᶯ
-
2011年3月 IPC-7093-C
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8.5.2 蠕变疲劳交互作⽤ 在温度循环时可看
到焊点有大应变。应变是由芯片和基材间的热
膨胀不同而产生。温度循环变化的本质引起焊
点经历同样的应变循环， 因此，焊料的损伤是
热循环次数的函数。根据这一定义，焊点经历
了蠕变疲劳。在均匀应变分布下, 疲劳通过引发
和传播细微裂痕而产生损伤。焊点的断裂随着
应变变化率升高而
增加。
总的来说，元器件可看到的热循环范围从0.4Tm
到0.8Tm，这里Tm是焊料绝对熔点温度。作为经
验法则，蠕变是一个运行变形机理，每当温度
高于材料绝对熔点温度的一半时发生。举例来
说，63/37 Sn/Pb焊料的熔点温度是456K (183.6
°C)，绝对温度的一半是228K或-45°C。因此，
在给定负载下，焊料蠕变变形甚至在温度低至
-45°C时发生。
焊点所受应力和
活化能的关系可由一般的蠕变
公式来表达： e = Aδ
n
(–Q/kT)
这里：
e=应变率
A=常数
δ=应力
n=应力指数
Q=激活能
k=玻尔兹曼常数
T=开尔文温度
蠕变应变是，当材料受到给定负载时，受热激
发后错位运动和/或空穴和原子运动的结果。在
焊点上观察到的随时间变化的应力松弛是蠕变
过程的直接结果。因此在温度循环期间焊点累
积损伤是蠕变和疲劳过程的结果
。在封装遭受
周期载荷和静态载荷的条件下，由于蠕变产生
的变形一直可观察到。
例如，静态载荷会由于封装上散热片的重量而
增加。取决于板子如何放置，侧放、正面朝上
或倒放，焊点会承受剪切、压缩或拉伸不同的
负载。一个方向的恒定载荷会导致由于蠕变过
程产生的失效。
8.5.2.1 电迁移 在合金系统中，各粒子在所加
电场作用下的移动
是不同的，基于各粒子的带
电量和质量。已观察到在芯片和焊点上有电子
迁移。在连接处, 观察到芯片或到板子的空洞迁
移。小的空洞合并可导致机械可靠性问题，或
在有效导电横截面面积减小的情况下发生电流
拥挤。遵循电流密度和尺寸的设计规则可解决
这两种观察到的情况。
8.5.2.2 腐蚀 焊点腐蚀通常由湿气和离子污染
物引起的。这可由适当的包装设计和工艺控制来
防止
。因为倒装芯片的焊点非常靠近，焊点的
清洁是必要的，必须减少来自腐蚀性工艺中的
化学品残留。取决于使用条件，倒装芯片焊点
也应该密封，或灌胶以阻止连续的湿气通道。
8.5.2.3 热迁移 热迁移是由于整合在BTC封装
端子的凸起焊点过大热梯度引起的，特别会发
生在较高的IC结点温度。在热迁移过程中，原
子沿着热梯度方向或相反方向扩散
。原子在凸
起焊点中会扩散，会导致焊料和UBM(凸点下金
属层)界面的空洞。凸起焊点最终会成为电气开
路。对于给定凸起焊点几何形状，热迁移是热
梯度、环境温度和合金成分的函数。
8.5.3 焊料厚度机械可靠性 有很多因素能影
响BTC连接的机械可靠性。其中的一些是：
• 应变
• 温度保持时间
• 芯片底部填充
• 焊料合金成分
8.5.3.1 应变 应变的作用是显著
的。它对凸起
焊点疲劳的影响依赖于几个因素。这些是由元
器件的设计、应用和制造决定的。表8-2列出了
芯片硅、氧化铝、引线框和印制板之间的CTE
差异。所有这些可成为典型BTC封装的一部分。
应变直接与DP成正比，DP是从最远端，有
功能的凸起焊点到芯片中心点的距离。
应变和焊点高度成反比。表8-3提供了各种直径
的焊料凸点的典型高度。
表8-2 典型材料的热膨胀系数
材料热膨胀系数CTE(ppm/°C)
硅 2.8
砷化镓 6.0-7.0
焊料(锡3铅97) 28-29
芯片底部填充 18-35
氧化铝 6.0-7.0
FR-4 16-19
铜引线框 17-18
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