IPC-7093 CN 2011 底部端子元器件(BTC)设计和组装工艺的实施.pdf - 第97页
8 可靠性 本 节 深 入 探 讨 为 确认 元器件、 板子 或 组件在特定 时 间 内 具 有可接 受 失效 极 限的 应 力 测试方法 。 关注 点 集中在连接表面焊 点 和 金相 结合。 8.1 加 速 可靠性 测 试 确认 和 鉴 定 测试 应该 根据 IPC-SM-785 中 给 出的 指 导， Guidelines for Accelerated Reliability T esting of Surface Mount S…
手工施加：无引线封装的手工焊接，在某些情况
下可在周边焊盘焊接时运用到。到达这些焊盘
通道取决于在封装侧面存在可焊的表面，到达
元器件底部的外露焊盘的路径和板子的空间。
然而，手工焊接不能到达底部未外露的端子。
另外涉及的几何图形需要非常高的手工焊接精
度和优秀的工具，否则会有可能损坏元器件和
附近的元器件。正因为如此，不推荐在BTC元
器件施加焊膏后进行手工焊接。
元器件上加焊膏—焊料“凸起”：由于几何外形
较小，PCB元器件组装密度高，要通过
采用印
刷和释放模板设计方式来得到精确并一致的焊
膏是比较困难的，对操作员的灵巧度和技能要
求高。在 这些情况下，建议在元器件贴装之前，
将焊膏直接涂覆在元器件底部焊盘上。无论金
属模板、焊膏点涂还是聚酰亚胺“剥离和释放”
模板，都是可以使用了。一旦元器件加上焊膏
后，可以精确安装和再流，类似于其它区域阵
列元器件。见图7-33。
7.7.3.5 元器件对准和贴装 封装元器件贴装的
准确性依赖于设备和制程
方法。多数情况下BTC
封装尺寸趋向于小焊盘，这给元器件贴装带来
了挑战。同时BTC由于其质量低的确有能力自
我对准，这是无铅焊料较大的表面张力的平衡
作用。因为液态焊料表面张力，再流焊接过程中
少量的偏移应该能自我对准。元器件大偏移有可
能会导致短路和桥接。
有多种方法人们可用来贴装元器件，包括元器
件返工系统中部分的分光光学系统或定位式对
准模板。
分光系统 可 用于安装 “凸起”元器件－该元
器件底部已经 涂覆焊膏
(见图7-35)也可用于安
装元器件到已经印刷/点涂到PCB上焊膏上(见
图7-34)。这种类型的分光系统当BTC引线位于
封装底部时，用来对齐元器件和PCB上对应的
焊盘。该成像系统提供重叠的引线图像，并通
过调整覆盖到PCB上相对应的焊盘，因此将元
器件与阵列焊盘对齐。这种对准是在放大后完
成的。贴装设备必须有能力细调X、Y方向和旋
转角。一旦对准与安
装，再流曲线应模拟原始
组装的温度曲线以达到最佳焊接质量。
第二种用于返工的方法是，涉及采用定位式模
板，这 模板的作用是帮助元器件对齐到PCB
上。在这种方法中，模板要与将安装的元器件
焊盘图形对准，放置并粘附到PCB板。焊膏滑
进开窗后，模板擦拭掉剩余的焊膏，然后手动
将凸起元器件对齐并安装到这些开窗上，最后
元器件按前面所述的方法进行再流。
IPC-7093-7-32-cn
图7-32 典型的滴涂系统
IPC-7093-7-33-cn
图7-33 运⽤模板的焊料凸起⽅法
IPC-7093-C 2011年3月
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8 可靠性
本节深入探讨为确认元器件、板子或组件在特定
时间内具有可接受失效极限的应力测试方法。
关注点集中在连接表面焊点和金相结合。
8.1 加速可靠性测试 确认和 鉴 定 测试应该
根据IPC-SM-785中给出的指导，Guidelines for
Accelerated Reliability Testing of Surface Mount
Solder Attachments和/或IPC-9701，表面贴装焊
接连接的性能测试方法及鉴定要求。对一些产
品来说，加速温度循环(ATC)需要和机械冲击/
振动测试相结合。
在产品设计原型时，进行加速可靠性测试，一
般试验至失效或
达到预定的可靠性目标为止。
合适的可靠性目标可由 合 适的加速模型决定
(见IPC-D-279)。一旦失效发生，要分析导致的
失效模式从而找到深层次的失效机理。如果未
达到预期，那么纠正措施是必要的，以改进组
装工艺或重新设计产品。在实施纠正措施后，
无论是哪种情况都可能有必要进行重新测试。
认识到需用一个矩阵来确定各种条件下准确要
求和关于性能
必要的测试。IPC 产品可靠性委员
会开发了下表“产品类型和使用环境”。表8-1
试图根据通常的制造过程、储存和运行期间必
须满足的热、机械、环境和电气性能要求的典
型应用来描述9种产品的类别。
8.2 损伤机理和焊接失效 电子组件的可靠性
取决于各部件间机械热和电气界面(或连接)可
靠性的总和。一种界面类型，表面贴装焊接是
独特的，因为焊接不仅提供电气互连，也提供
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
的热传导功能。孤立的焊点无
所谓可靠或不可靠，它只与具体的应用环境相
联系。
三种要素的特性—元器件、基材和焊点结合使
用环境、设计寿命和可接受失效概率一起决定
了表面贴装焊接的可靠性。与锡/铅焊接相比，
大多数无铅焊接一般特性包括 1)更大的强度 2)
更低的蠕变率 3)更差的延展性 4)更高的焊接温
度。
更大的强
度和更低的蠕变率的后果是，在温度
变化引起的热膨胀不匹配或PCB/元器件翘曲或
弯曲时，整个焊接连接结构上有更大的应力。
较高的应力加上由于润湿不足或界面结构弱化
造成的不够强的焊接，导致界面易碎失效。
8.2.1 锡银铜(SAC)和锡铅在加速⽼化试验⽅⾯
的差异 与锡铅焊接相比，SAC焊点在加速老
化测试中可开发附加的失效模式和损伤机制，
例如温度循环。原因是SAC焊料较僵硬同时有
较慢蠕变率，这两个条件产生更高应力。
8.2.2 混合合⾦焊接 因为板子到封装互连唯
一焊料来自于焊膏，存在于BGA上的混合合金焊
接没有风险。然而，因为任何组件都可能有BGA
IPC-7093-7-34-cn
图7-34 PCB上模板对齐
IPC-7093-7-35-cn
图7-35 凸起元器件放置并再流
2011年3月 IPC-7093-C
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和BTC，混合合金可能存在，所以应该考虑合
金选择、组装焊盘的表面处理、BTC端子表面
处理和BGA焊球合金兼容性。
8.2.3 模封化合物材料 模封材料成分的选择会
影响封装可靠性。模封材料的选择应该基于封
装可靠性要求(例如湿敏元器件等级)和满足板
级可靠性。板级可靠性直接取决于模封化合物
的热膨胀系数(CTE)。与电路板材料相近的、具
有较高热膨胀系数(CTE)的模封化合物相比，
较低
热膨胀系数(CTE)的模封化合物在可靠性
测试中表现较差。模封化合物弹性模量也影响
到封装硬度。高弹性模量会导致较硬的封装和
较低的疲劳寿命。
8.2.4 芯⽚⼤⼩ 芯片大小对于板级可靠性有
重要影响。随着芯片对封装体积比的降低，板
级可靠性将增加。芯片越小板级可靠性越好是
因为芯片边缘有低热膨胀系数(CTE)，当芯片
越
小时，越远离周边焊点。
8.2.5 全蚀刻引线框与半蚀刻引线框⽐较 封
装焊盘会有两个选择：全蚀刻焊盘和半蚀刻焊
盘。封装焊盘是相同的，两者在切口都不能焊
接而形成填充，但这对可靠性无影响。因为封
装电镀后要经历分割工艺，所以外露的引线切
口是没有电镀的。引线切口上的铜被氧化而在
再流焊时不上锡。在有些情况下当引线切口形
成填充时，资料表明对可靠性有改善。
8.2.6 ⾦/银/钯脆化 相对于BGA、BTC的焊点
间隙高度是非常小
的，贵金属脆化会成为可靠
性问题。
表8-1 终端使⽤环境的加速测试
最差使⽤环境 加速测试
使⽤类别 Tmin °C Tmax °C △T
(1)
°C t
D
hrs 周期数/年
典型服务
年限
⼤约可接受
失效风险％ Tmin °C Tmax °C T
(2)
°C t
D
min
1) 消费 0 +60 35 12 365 1-3 1 +25 +100 75 15
2)电脑 +15 +60 20 2 1 460 5 0.1 +25 +100 75 15
3)电信 -40 +85 35 12 365 7-20 0.01 0 +100 100 15
4) 商用飞机 -55 +95 20 12 365 20 0,001 0 +100 100 15
5) 工业与乘用车-55 +95 20
&40
&60
&80
12
12
12
12
185
100
60
20
10 0.1 0 +100 100 15
& COLD
(3)
6) 军事地面与船舶 -55 +95 40
&60
12
12
100
265
10 0.1 0 +100 100 15
& COLD
(3)
7) 航天
leo
Geo
-55 +95 3
to 100
1
12
8 760
365
5-30 0.001 0 +100 100 15
& COLD
(3)
8) 军用飞机
a
b
c
-55 +95 40
60
80
&20
2
2
2
1
365
365
365
365
10 0.01 0 +100 100 15
& COLD
(3)
9) 汽车引擎盖下产品 -55 +125 60
&100
&140
1
1
2
1 000
300
40
5 0.1 0 +100 100 15
& COLD
(3)
& LARGE & △T
(4)
& = 另外
(1) △T代表最大温度变化但不包括功率耗散的影响；对于功率耗散计算△T，功率耗散会使纯温度循环加速试验很不精确。应该注意的是循环
温度范围，△T不是可能的最小温度T
min
和最大温度T
max
(运行温度极限温度)之间的差，△T通常比此值要小得多。
(2)所有加速老化试验在测试板上温度爬升应当为20°C/min，最大温度保持时间应当为15min，设定~24周期/天。
(3) 低温时焊料变化失效/损伤机理；对于组件有运行在非常寒冷环境的情况时，另加“低温”循环, 温度可能从-40°C到0°C，足够的保持时间
以达到温度平衡，推荐循环次数等于实际运行在“低温”下的循环次数。
(4)焊接失效/损伤机理对于大范围循环温度变化是不同的，因为其温度从-20°C到+20°C 转变区域应力应变关系不同。如组件运行这样的循环，
附加合适的“LARGE △T”以与实际的循环数相似，推荐采用实际使用的次数。
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