JESD22-B117A中文版

JESD22-B117A中⽂版
JEDECSTANDARD
Solder Ball Shear
锡球剪切
JESD22-B117A
(Revision of JESD22-B117, July 2000)
OCTOBER 2006
JEDEC SOLID STATE TECHNOLOGY ASSOCIATION
测试⽅法B117：锡球剪切
（从JEDEC委员会选票及JCB-06-37制定下，对包装设备的可靠性试验⽅法由JC-14.1⼩组委员会认定。

）
1 范围
这种测试⽅法适⽤于焊球结束前使⽤的附着物剪切⼒测试。

焊球分别剪切;⼒量和失效模式下的数据收集和分析。

在本⽂件包括低速和⾼速测试。

这个试验的⽬的是进⾏评估锡球能够承受机械剪切的能⼒，可能在器件制造、处理、检验、运输和最终使⽤的作⽤⼒。

焊料球剪切是⼀种破坏性试验。

2 术语和定义
剪切⼒：适⽤于⼀个⽅向平⾏于设备平⾯到焊料球的⼒量。

测试仪器：测试仪器⽤于应⽤剪切⼒焊锡球。

剪切⼯具：⼀个刚硬的⼯具，直接对着在焊球剪切（见图1）。

剪切⼯具集成了传感元件，使剪切⼒可以测量。

剪切⼯具⽀架：设备平⾯和剪切⼯具⼑之间的距离（见图1）。

夹具：剪切测试时夹具固定焊球在设备上（见图5）。

剪切速度：剪切⼑具移动速率去剪焊锡球。

低速剪切：剪切速度通常是0.0001 - 0.0008⽶/秒（100 - 800微⽶/秒）。

⾼速剪切：剪切速度是⼀般为0.01 - 1.0⽶/秒，但可以超出这个范围。

回流后经过时间：焊球剪切和焊料球最后回流之间经过的时间。

失效模式：类型或锡球剪切后观察到的失效位置。

后压⼒测试：锡球剪切后进⾏可靠性评估，如温度循环或⾼温储存压⼒测试。

3 仪器
剪切⼒测量设备应使⽤经过校准的传感器或传感元件。

应进⾏定期校准，以确保精度长期⼀致。

建议设备的最⼤负载能⼒⾄少为测量球在被测试部分的剪切最⼤值的10％。

该仪器可专门⽤于焊球剪切试验，或⽤于通⽤负载偏移量测试仪器。

该设备必须能够有施加到锡球的应⽤和记录。

该设备必须有能⼒⽤于⼀个已知位移速率的负载能⼒。

单个的设备可能需要执⾏低速和⾼速剪切试验。

4 程序
4.1 ⼀般
剪切⼯具和测试样品安装在试验装置，这样的锡球将由⼀个⽅向平⾏于平⾯剪切。

该装置定位时当⼼不要损坏锡球。

在⼀定范围内剪切的焊料球和设备的⾜够数量，为适当的测试⽬的，确保了被证实的部分统计有效的数量，并反映成本/⽣产上的限制。

根据失效分布，期望度，置信度，和其他相关参数，锡球样品数量如22，30，45等，和设备的数量为3，5等，样品量可适当。

剪切⼒和/或失效模式可能是敏感的剪切速率，剪切⼯具⽀架，以及剪切试验和最后焊球回流时间。

为了确保有效的⽐较试验结果，同样的剪切速率，剪切⼯具⽀架和回流时间应使⽤任何特定⼤量测试。

4.2 锡球组成
这种测试⽅法适⽤于任何焊接球组成（锡铅，锡银铜等）或结构类型（均质合⾦焊料，锡涂层有机或⾦属芯等）。

替代失效模式评估类别可能需要⼀些锡球结构。

4.3 基材
样品基体材料可以是有机或⽆机（陶瓷，硅等）组成，以及任何表⾯安装结构（BGA, CSP 等）。

4.4 前提条件
如果由供应商和客户之间的协议的要求，样品器件应过适当回流焊曲线后再做锡球剪切试验。

回流前器件潮湿不做要求; 如果在锡球连接区严重性的破坏发⽣时，器件回流前应烘烤。

回流的焊料球的总数应记录和保存与试验样品⽐较应是⼀致的。

4.5 夹具
该夹具的设计必须防⽌试验设备运动在所有轴，并确保该设备平⾯保持平⾏于⼑具⽅向（见图5）。

该夹具应保持样品的固定且没有变形或扭曲。

夹具是硬性连接的机器特别适⽤于⾼速剪切试验，最⼩化任何位移或变形，以避免激发在测试设备的测试频率共振。

夹紧装置例⼦见图5，夹具可实现多种夹紧⽅式，包括可容纳多个器件尺⼨的定制夹具，以及分带或载体设备。

4.6 样品制备
在进⾏测试之前，锡球应⽬视检查，以确保它们是正确形状，没有污染物或残留的助焊剂，做代表性测试。

依靠特殊的剪切试验仪器规定参数，焊球相邻被测球（在剪切⼯具⾏进路径内）可能⾸先需要从该样品中移除。

如果相邻的锡球需移除，剩余的焊锡⾼度应⾜够低，以确保剪切⼯具在整个路径中不接触残留焊锡。

锡球必须保留⾜够数量的样品制备，以确保样本量的要求仍然在实际剪切试验得到满⾜。

见图2和3分别⽤于低速和⾼速剪切试验样品的准备典型的例⼦。

4.7 剪切⼯具
剪切⼯具须以淬⽕钢，陶瓷或其他⾮柔软物质构成。

剪切⼯具应关注的锡球的宽度，因此在剪切试验过程中不会⼲扰相邻焊球。

剪切⼯具相对于器件的平⾯应90°±5°。

对齐剪切⼯具，使其接触焊料球（见图1）。

剪切⼯具⽀架应不⼤于锡球⾼度的25％（10％⾸选），并确保剪切⼯具不接触整个监控剪切⼯具⾏程的表⾯。

最好的对齐是使平台/⼯具可移动，它允许在垂直平满⽅向运动。

必须特别注意确保所测试的锡球不是在初始设置操作。

剪切⼑具磨损（见图4）由于长时间使⽤可能会影响测试结果。

如果⼑尖明显过度磨损迹象表明剪切⼯具将被替换，影响改变剪切⼒读数和/或失效模式。

磨损特性（刻痕，凿槽，圆⾓等），光学检测下观察到⽐测试锡球⾼度较⼤约10％，可能需要对测试结果的影响进⾏调查。

4.8 剪切速度
装载的焊球以恒定速率并记录剪切速度。

记录的剪切⼒和持续加载剪切⼒直到失效最⼤值⾄少25％，或直⾄剪切⼯具的⾏程（撞击后）超过焊球直径。

这两种剪切⼒和失效模式经常体现出剪切速度的敏感性。

因此同样的剪切速度应⽤于所有的⽐较实验。

根据不同的焊点失效模式在实际器件组装和操作时，⽆论是低速（条件A）或⾼速（条件B）剪切试验可以证明更合适的焊点完整性评估⼯具。

4.8.1 低速剪切- 条件A
低速剪切试验通常是在速度从0.0001 - 0.0008⽶/秒范围内进⾏（100 - 800微⽶/秒）。

4.8.2 ⾼速剪切- 条件B
⾼速剪切测试通常是在速度从0.01 - 1.0⽶/秒范围内进⾏，但可能会超出这个范围。

⾼速剪切测试可能会导致界⾯断裂的发⽣
率⾼于低速剪切试验，并可能是更有效的评估⽅法对断裂强度的影响。

焊剪切强度通常随剪切速度增加，因此锡球剪切验收标准可能有所不同，根据剪切速度⽽定。

另外参数如此时最⼤负荷和能量也可以收集和/或计算以提⾼⾼速断裂强度的表征。

在多个剪切速度测试也可以引导界定剪切强度和剪切速度失效模式依赖性，并帮助建⽴⼀个最佳的测试剪切速度为将来的测试。

4.9 剪切⼒
测试数据汇总（见附件A）应包括记录焊球剪切⼒值的最⼩，最⼤，平均和标准偏差。

最⼤剪切负荷将取决于焊接类型、球的⼤⼩、焊盘尺⼨、阻焊开窗和裸露焊盘形状。

因此从焊料成分和球/垫/焊接⾯结构应包括有代表性的剪切数据，并记录参数。

经过⾜够测试的数据，基于代表性的均值和标准差应该建⽴失效标准。

焊球剪切值应满⾜的最⼩⽔平，由实际⽤途⽽定。

4.10 失效模式
对于每⼀个球剪切，记录失效模式（见附件⼀）。

剪切设备的光学系统可优化剪切⼯具的定向但不可决定失效模式。

如果低于预期值，或焊球剪切混合失效模式出现，建议对断裂⾯进⾏详细检查。

详细的检查断裂通常需要最少使⽤100倍显微镜，也许需要更⾼的放⼤倍数。

在某些情况下，需要如EDX和SEM等技术确定具体的断裂⾯。

有四种典型的失效模式（对于普通板的失效模式的例⼦，如表4.1所⽰）。

由于不正确的剪切⼯具⽀架，对齐或速度，会导致剪切试验结果应失效；更换焊球样品进⾏测试和评估。

如果多个故障模式是在⼀个单⼀的焊点的观察到时，这个主要失效模式应该作为失效模式测试的记录。

附录A（资料）样本数据报告格式
参数值单位样品类型（BGA、CSP等）
锡球成分（Sn37Pb, Sn3Ag0.5Cu等）
样品基材（层压材料、叠板等）
Pad表⾯处理（ENIG, 电镀Ni/Au）
阻焊结构（阻焊定义或⾮阻焊定义）
由设备测试焊锡球
测试设备
前提条件回流数量和判别参考J - STD - 020修订版
锡球间距mm 锡球尺⼨mm Pad尺⼨mm 阻焊开窗mm 回流时间hr 剪切⼯具⽀架µm 剪切速度m/s 剪切⼒–平均kgf 剪切⼒–标准偏差kgf 剪切⼒–最⼩kgf 剪切⼒–最⼤kgf 剪切⼒直⽅图
失效模式直⽅图。