IPC-7093 CN 2011 底部端子元器件(BTC)设计和组装工艺的实施.pdf - 第105页

长期失效是由组装设计不足引起的早期磨损损伤导致的。这是 IPC-D-279 “ Design Guidelines for Reliable Surface Mount T echnology Printed Board Assemblies ” 已被开发的原因。 8.7.1 损伤机理和焊接失效电子组件的可靠性取决于单个元器件的可靠性和这些元器件间机、热、电气接 …

并对缺陷有严格的工艺控制，电迁移对大部分

应用来说应该是不成问题的。

8.6.1 可靠性因⼦蠕变疲劳是造成BTC组件

磨损的主要机理。蠕变疲劳是由环境引起的循

环热应力或在载荷下焊料的蠕变造成的累积损

坏。这种循环行为引起BTC互连的塑性变形，

其初始为裂缝，逐渐增长最终引起开路或实质

性互连退化。大多数应用系统都有最终使互连

产生疲劳的温度变化。

对BTC封装技术的

使用者来说，对其应用的材

料固有特性和设计/工艺驱动尺寸有一个基本了

解是重要的。和疲劳相关的应用环境因素是温

度、温度循环范围和温度循环保持时间。BTC

组件依据几个方面影响可靠性：底部填充的存

在、互连图形的对称性、偏移、凸起形状的变

化和元器件尺寸。

在热循环下，失效最先发生在离热膨胀中心点最

远的地方。有可能开发出详

尽的模型，而大部分

模型的建立都是根据某种形式的coffin-manson公

式，这个公式是描述蠕变影响的低循环疲劳。

如果几何图形、材料和应用环境已知，可建立

各种BTC的模型。已出版了各种底部端子元器

件可靠性的资料。极其重要的是用户建立这一

知识水平并可靠地应用这些技术。

8.6.2 加固的优点 BTC底部填充可实质上增

强疲劳寿命。当底部填充运用得当，它可以在

比

较宽的应用环境下通过抑制BTC互连的膨胀，

来减小焊点的应变水平，这也适用于大尺寸的

元器件。填充材料必须小心选择，它粘贴于组

件表面，但不能反过来挤压BTC互连焊点。填

充材料必须易于施加并避免制程缺陷，也必须

不包含或粘有可引发腐蚀问题的污染物。

如果底部填充失效，它最有可能失去与元器件

和/或基板的粘接。

这可导致由于疲劳、蠕变引

起的失效，或它也会增加腐蚀和其它失效机理

的机会而导致失效。

8.6.3 与失效相关的事件组装后的BTC组件会

经历非预期热或机械冲击，这些可能是与维护

保养或仅与系统操作异常有关的孤立事件。这

些事件如果足够严重就会导致灾难性的失效，

或会引发损伤位置在日后出现失效。可通过选

择最强健的可用技术来适应这些失效类型。

当

运用芯片倒装技术时需要考虑一些额外失效机

理。

大部分BTC元器件的表面处理为63/37锡/铅合

金，锡、金或为SAC无铅合金，一些BTC互连

使用含铅的合金来提高其延展性。这可能会引

入微量的放射性元素，而这些放射性元素会释放

α粒子以导致半导体元器件的软件错误。导入引

线框架和底部填充结构就非常重要(增加距离或

阻挡层的作用)，这样的

话，就有更少的粒子放

射接近这些敏感元器件，从而减少其影响。多数

半导体元器件在靠近焊盘的地方有ESD保护，

而大多数的倒装芯片元器件的互连位置并没有

这样的保护。当在这些倒装元器件表面重新布

线就可以将它们转变成BTC的封装形式。而这

样就会导致一些金属接近这些没有ESD保护的

元器件结构。

8.7 针对可靠性问题和考量的设计电子组件

的可靠性需要明确的设计目标，而这种设计在

产品开发阶段就

要和其它功能设计同时进行。

行业中存在误解，认为制造质量是保证电子组

件可靠性的全部。

持续高质量制造和所有能体现可生产性设计

(DfM)、可组装性设计(DfA)和可测试性设计

(DfT)的做法，是保证产品可靠性的必要前提。

只有可靠性设计(DfR)才能确保生产出高质量的

产品，并在预期的应用中是可靠的。因此，遵

守质量标准是必要的但并不充分。

例如，焊点

质量通常遵循IPC-A-610(电子组件的可接受性)

标准要求，所有工艺遵循ASI/J-STD-001(焊接

的电气和电子组件要求)标准要求的。然而，达

到这些标准并不保证可靠焊料连接，只保证焊

料连接的质量。

澄清两者之间的区别需要解释和定义可靠性。

可靠性在IPC-SM-785“Guidelines for Accelerated

Reliability Testing of Surface Mount Solder Attach-

ments”的定义：可靠性是在给定条件下，在规

定的时间内没有超出可接受失效水平，产品保

证运行的能力。

从短期来说，因为产品质量不足，可靠性受到

早期失效的威胁。这些由

失效造成的早期失效

可通过适当的筛选程序在运输前消除。

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长期失效是由组装设计不足引起的早期磨损损

伤导致的。这是IPC-D-279“Design Guidelines for

Reliable Surface Mount Technology Printed Board

Assemblies”已被开发的原因。

8.7.1 损伤机理和焊接失效电子组件的可靠

性取决于单个元器件的可靠性和这些元器件间

机、热、电气接口(或连接)的可靠性。在这些

连接类型中，焊点连接是独特的，因为焊点不

仅提供了电气互连，也提供了电子元器件对印

制板唯一的机械连接，通常还有关键的热传导

功能。

孤立的焊点没有所谓的可靠或非可靠，只有

通

过它连接到印制板的电子元器件中才有这种评

判。这三个要素的特性—元器件、基材和焊点

连同使用条件、设计寿命、对电子组件可接受

的失效概率决定了表面贴装焊接的可靠性。

8.7.2 焊点和连接类型焊点是除了均质结构

外的任何类型。焊点由许多不同材料构成，而

对其中很多材料的特性仅是表面了解。一个焊

点可由以下组成：

• 印制板的基材金属

• 一个或多个金属间化合物 (IMC)

• PCB侧形成IMC，焊料成分减少后的焊料层

• 焊料晶粒结构，至少包

括焊料成分比例不同的

两相，以及一些有意添加的物质或非预期的污

染物

• 元器件侧形成IMC，焊料成分减少后的焊料层

• 一个或多个焊料与元器件基底金属形成的IMC

层

• 元器件基底金属

8.7.3 焊料界⾯晶粒结构的影响焊料晶粒结

构本质上是不稳定的。随着晶粒结构降低了小

晶粒结构的内在能量，晶粒的尺寸在时间的推

移下会增长。晶粒增长过程通过温度升高和在

循环荷载过程中应变能量的输入而

增强。因此

晶粒增长过程就是一种疲劳损伤累积的过程。

像氧化铅这类污染物会在晶界处聚集。随着晶

粒增长，这些污染物会进一步聚集在晶界，而

弱化这些边界。在经过25%疲劳时间后，在晶粒

边界结合部可发现小空洞；这些小空洞可在经过

40%疲劳时间后增长为小裂缝；这些小裂缝增长

而合并成大裂缝导致完全开裂原理如图8-7所

示。

不同表面贴装焊料连接的构成可有显著不同

的失效模式。具有均匀

载荷分布的焊点，例如

QF、倒装芯片、BGA、CGA表现为类似特性。

非均匀载荷分布的焊点，例如底部端子元器件、

无引线芯片载体、CSP和所有有引线焊点，显示

为形成大裂缝损坏的集中局部损坏。焊点通常

连接有特性完全不同的材料，造成全局热膨胀

不匹配。而焊点由材料、焊料组成，其本身性

质不同于粘接结构材料，造成局部热膨胀不匹

配。这些热膨胀不匹配的严重性，因此对可

靠

性威胁的严重性，取决于组件的设计参数和操

作使用环境。

IPC-7093-8-7-cn

图8-7 焊点结构累积疲劳损伤作⽤⽰意图

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2011年3月 IPC-7093-C

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8.7.4 整体膨胀不匹配整体膨胀不匹配是由

电子元器件或连接器和通过表面贴装焊点连接

的印制板的不同热膨胀造成的。这些热膨胀差

异源于CTE不同和由主动元器件产生的热耗散

梯度的不同。整体膨胀不匹配会循环作用在焊

点，造成疲劳。循环累积疲劳损坏最终引起某

一个焊点失效，通常为某元器件的边角焊点失

效引起功能性的电气失效，初始为间歇性的。

见图8-8。

8.7.5 局部膨胀不匹配局部膨胀不匹配是源

于焊料和要焊接的电子元器件或PCB基材的热

膨胀差异。这些热膨胀的差异是热传递过程时

焊料和基材的热膨胀系数(CTE)不同的结果。

典型的局部CTE不匹配的变化范围为：焊料与

铜差7ppm/°C；与陶瓷差18ppm/°C；与合金42和

Kovar

合金差20 ppm/°C。局部热膨胀不匹配

一般比整体热膨胀不匹配要小，这是由于其作

用距离－即最大的润湿区域尺寸，通常都比较

小，其数量级为几百微米。

8.7.6 内部膨胀不匹配内部~6 ppm/°CTE不匹

配起因于焊料富锡相和富铅相CTE的不同。内

部热膨胀不匹配一般是最小的，这是由于其作用

距离－即晶粒结构尺寸，相对于焊料湿润长度或

元器件

尺寸要小得多，其数量级为小于25μm。

8.8 焊接失效元器件到基材表面贴装焊点连

接失效，通常定义为组成元器件连接的任何焊

点的第一次完全断裂。考虑到焊点载荷典型的

是剪切力，而不是张力，焊点的机械失效不一

定与电气失效相同。从电气上看，焊点的机械

失效，至少在初期，会在机械或热扰动情况下

导致偶然发生瞬间(<1μs)高阻抗事件。从实际

观点来说, 焊点失效定义为第一次观察到这

种事

件。

对某些应用来说，这种失效定义可能是不足够

的。对于上升时间迅速的高速信号，在焊点完

全机械失效前会产生的信号劣化，这可能需要

更严格的失效定义。类似地，对电子组件遭受大

机械震动和/或冲击荷载应用场合，考虑了由累

积疲劳损坏引起的焊点机械弱化的失效定义，

可能是必要的。

8.9 确认和鉴定试验 IPC-9701规定了性能测

试方法和鉴定要求。IPC-9701A包括无铅焊

点的

可靠性测试导则。然而，当前缺少普遍有用的

可靠性加速测试模型，对于无铅焊点目前没有

鉴定要求。

确认和鉴定试验应该遵循IPC-SM-785给出的

指导，Guidelines for Accelerated ReliabilityTesting

of Surface Mount Solder Attachments。然而，对高

热耗散的大元器件、不对称结构的元器件和小

范围整体性CTE不匹配来说，温度循环测试不

足以提供所需的信息；全功能循环包括外部温

度和内部电源循环是必要的。

8.10 筛选程序

8.10.1 焊点缺陷最多可靠性问题的焊点缺陷

是

由于各种原因造成的润湿不足够。良好的润湿

焊点即使在严酷的机械载荷条件下也具有足够

的强度，同时也不会减小热循环疲劳可靠性。

但是没有良好润湿的焊点可能就会在机械或热

循环载荷下早期失效。通常焊点中的空洞不会

被认为构成对可靠性的威胁，然而，有一些例

外。对于某些比较大的空洞，如果焊点的截面

积减小

到足以降低所需的热传导功能，比如在

MLF和QF元器件散热焊盘上的那些空洞，这

就可能导致元器件的早期失效。

8.10.2 筛选建议有效筛选程序能够引起潜在

的焊点缺陷失效，比如弱的润湿不足够的焊点，

但不会引起对高质量焊点的重大损伤。最好的

筛选方法是在相对较低的温度对产品进行随机

振动测试(6-10g，10-20分钟)，优选在较低温度

如40°C

。这一载荷不会损坏好的焊点，但会筛

图8-8 1000次循环后由于CTE不匹配引起的焊点裂缝

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