IPC-7093 CN 2011 底部端子元器件(BTC)设计和组装工艺的实施.pdf - 第99页

金 、 钯 和 银脆化 一 起 作用 。 “ 金/银脆化 ” 是 焊 接结构的 弱 化 ， 其 原 因是 由 于 太 多晶体状 AuSn- IMC 晶片 和焊料的 薄 弱 界 面。 更 多 的 这 种 IMC 晶 片 导 致 此类 界 面的密 度 更 高 以 及 更严重 的焊 点 弱 化 。 由 于 IMC 和周 围 的焊料 之 间 CTE 的不同 存 在 界 面 负荷 。 AuSn-IMCs 、 AgSn-IMCs 或 它 们的 结合…

100%1 / 124
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。
IPC-7093-C 2011年3月
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金、钯和银脆化一起作用。“金/银脆化”是焊
接结构的弱化，其原因是由于太多晶体状AuSn-
IMC晶片和焊料的薄弱界面。更多的这种IMC晶
片导致此类界面的密度更高以及更严重的焊点
弱化。由于IMC和周围的焊料之间CTE的不同存
在界面负荷。AuSn-IMCs、AgSn-IMCs或它们的
结合在作用方面没有实际区别。
在焊点中普遍 使用3％到4%(按重
量)的贵金属
基本上是经验法则。它加到整个焊料体中并假定
IMC均匀分布在整个焊料体中。然而，对于小于
3％含金量(重量)，很少发生脆化的问题。
用正确的观点去研究问题是重要的。金和银脆
化是由于镀金和镀银时较厚或不受控的沉积所
造成，它们不发生在浸镀制程中，无论是采用
化学镍/浸金还是浸银作为表面处理时。
8.2.7 间隙⾼度 增加间隙高度是增强底部端
子元器件焊接可靠性
的方法。中心焊盘(散热焊
盘)设计、焊膏覆盖量、导通孔数量和大小已证
实对间隙高度有很大的影响。增加间隙高度可
采用厚模板来达到，但该选项会有限，因为有
焊膏释放和中心焊盘漂浮对模板宽厚比和面积
比的要求。另外，因为多种类型的元器件贴装
在同一板子上，为一个或两个元器件运用厚模
板是不可取的。
一个替 代 方法是增 加 封装底部散热焊盘的电
镀厚度。这被Amkor一直使用在Bump MLF概念
中，如图8-1。电镀加厚100μm导致封装焊点间
隙高度增加100μm。
这导致了封装板子可靠性有
2倍的增加，见图8-2。
8.3 PCB设计考虑 PCB板的一些设计指标会
影响焊点的可靠性。
8.3.1 焊盘尺⼨ 影响可靠性另一因素是焊点形
状，它决定于板子上的金属化焊盘。因为BTC是
无引线元器件，焊点的形状与焊盘有关。BTC封
装下面较大的焊盘提供较好的可靠性，如图8-3
的威布尔图所示。比较带有28端子的7mm封装、
带有焊盘尺寸0.28mm×0.6mm和带有焊盘尺寸
0.23mm×
0.4mm QFs的48端子封装，其疲劳寿
命有2倍的改善。较大焊盘导致较大的焊点，要
形成完整的裂缝需要较长路径。
IPC-7093-8-1-cn
图8-1 向上电镀凸起
引线上电镀凸起
芯片连接盘电镀凸起
IPC-7093-8-2-cn
图8-2 温度冲击后QF焊点裂缝
1000.0 10000.0
1.0
5.0
10.0
50.0
90.0
99.0
ཡ᭸ᗚ⧟⅑ᮠ
㍟〟ཡ᭸Ⲯ࠶∄
ေᐳቄ
W2 R RX - SRM MED
F=5 / S=25
β1=10.08, η1=4447.98, ρ=0.97
W2 R RX - SRM MED
F=7 / S=23
β2=14.00, η2=2255.67, ρ=0.97
ࠨ䎧
-
ᰐࠨ䎧ḷ߶
-
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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
4)1᧕䀖⛩
4)1ᑖਟ⒯⏖ח䶒ˈ
ᵏᵋᴹח䶒ປݵ
✺⛩
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