SMT焊点的可靠性研究
焊点可靠性之焊点失效机制
焊点可靠性之焊点失效机制在SMT焊点可靠性的研究历史中,失效机制的研究一直是被忽略的。
各主要研究机构均热衷于提出自己的寿命预测模型。
随着SMT的不断发展和推广应用,对其焊点可靠性的要求也越来越高。
人们在寻求焊点可靠性改善途径的同时,发现尽管热疲劳试验结果可以证明焊点的寿命得到提高,但提高原因缺乏理论解释,同时也缺乏对进一步的寿命改善工作的指导。
不可否认的是,SMT焊点的失效是力学因素和金属学因素共同作用的结果。
但在理论基础上,二者之间很难建立起某种必然的联系。
因此,失效机制的研究目的即在于寻找焊点失效的相关力学因素和金属学因素的作用机制。
但是到目前为止,这一问题也没有明确的答案,甚至相关的研究也很少。
在90年代之前,SMT焊点的失效机制被公认为是软钎料合金的低周蠕变-疲劳失效所至,因此软钎料合金的蠕变本构方程、蠕变-疲劳交互作用规律得到广泛研究,同时金属低周疲劳寿命预测的经验方程M-C方程也被广泛用于焊点的热疲劳寿命预测。
也就是说,循环塑性应变及等效应力被当然地认为是主控焊点失效的力学因素。
另一方面,焊点失效的金属学因素被归结为软钎料合金组织在热循环过程中的组织演化[54-56]。
进入90年代以来,SMT焊点失效机制方面开始了一些试验性的研究工作,主要集中在Cu-Sn金属间化合物的影响及焊点失效的物理特征观察两方面。
所形成的试验性结论主要有三点:(1) 热疲劳载荷下焊点内部裂纹沿钎料合金/ Cu-Sn金属间化合物界面扩展(印刷电路板上的焊盘材料一般为Cu) [57-61],如图1-1所示。
—1 —图1-1 表面组装LCCC焊点内部裂纹的萌生与扩展[59]Fig. 1-1 Crack initiation and growth underneath a surface mount LCCC(2) 随着Cu-Sn金属间化合物的生长,焊点可靠性下降。
表1-2是香港城市大学的Chan等人给出的不同金属间化合物(Intermetallic Compound, IMC)层厚度对软钎焊焊点疲劳寿命的影响。
SMT焊点的可靠性研究及CBGA焊点有限元分析
I
SMT 焊点的可靠性研究及 CBGA 焊点有限元分析
ABSTRACT
The reliability of soldered joints of electronic devices in surface mount technology is a key factor for the extensive application of electronic products. Therefore, aimed at meeting the needs of the components and devices for some type military products, the reliability of soldered joints of QFP, PBGA and CBGA have been studied in considerable detail. The tensile strengths of QFP joints were tested by means of STR-1000 Micro-joints Tester and the effects of pitch numbers, solder paste composition (SnPb paste and SnAgCu paste) on the mechanical properties of QFP joints were studied and the fracture micrograph of joints was also analyzed by means of SEM. The results indicate that under the condition of same pitch numbers, the tensile strength of the QFP joints soldered with SnAgCu solder paste is higher than that with SnPb solder paste; under the condition of same solder paste composition, the tensile strength of the QFP joints soldered with 48 pitches is lower than that with 100 pitches. Though PBGA packaging overcame the defect of QFP joints which the pitch is too fine, the detection method for the soldered joints of PBGA needs to be perfected. A series of PBGA soldered joints were detected by X-ray method, the shear strengths of soldered joints were detected by means of Micro-joints Tester, and the analysis and evaluation on shear strengths of PBGA balls with different diameters were also carried out. The results indicate that under the same conditions, the bigger the diameter is, the smaller the unit shear strength is, and the shear strength of PBGA joints soldered with eutectic solder is larger than that of tin- lead solder itself. Although CBGA packaging overcame the defect of PBGA packaging which it is easy to absorb moisture, the reliability of CBGA soldered joints still needs to research deeply. According to American Military Standard (MIL-STD-883), the reliability of CBGA soldered joints was studied under thermal cycling. The results indicate that the cracks emerged at the down interface of soldered joints which thermal cycling is up to 170 times and been expanded along grain boundary, and when thermal cycling is up to 240 times, the soldered joints fail. With the increase of thermal cycling times, the cracks expanded to the up interface of the soldered joints, the grains grown coarse and
焊点可靠性研究详解
SMT焊点可靠性研究前言近几年﹐随着支配电子产品飞速发展的高新型微电子组装技术--表面组装技术(SMT)的飞速发展﹐SMT焊点可靠性问题成为普遍关注的焦点问题。
与通孔组装技术THT(Through Hole Technology)相比﹐SMT在焊点结构特征上存在着很大的差异。
THT焊点因为镀通孔内引线和导体铅焊后﹐填缝铅料为焊点提供了主要的机械强度和可靠性﹐镀通孔外缘的铅焊圆角形态不是影响焊点可靠性的主要因素﹐一般只需具有润湿良好的特征就可以被接受。
但在表面组装技术中﹐铅料的填缝尺寸相对较小﹐铅料的圆角(或称边堡)部分在焊点的电气和机械连接中起主要作用﹐焊点的可靠性与THT焊点相比要低得多﹐铅料圆角的凹凸形态将对焊点的可靠性产生重要影响。
另外﹐表面组装技术中大尺寸组件(如陶瓷芯片载体)与印制线路板的热膨胀系数相差较大﹐当温度升高时﹐这种热膨胀差必须全部由焊点来吸收。
如果温度超过铅料的使用温度范围﹐则在焊点处会产生很大的应力最终导致产品失效。
对于小尺寸组件﹐虽然因材料的CTE 失配而引起的焊点应力水平较低﹐但由于SnPb铅料在热循环条件下的粘性行为(蠕变和应力松弛)存在着蠕变损伤失效。
因此﹐焊点可靠性问题尤其是焊点的热循环失效问题是表面组装技术中丞待解决的重大课题。
80年代以来﹐随着电子产品集成水平的提高,各种形式﹑各种尺寸的电子封装器件不断推出﹐使得电子封装产品在设计﹑生产过程中,面临如何合理地选择焊盘图形﹑焊点铅料量以及如何保证焊点质量等问题。
同时﹐迅速变化的市场需求要求封装工艺的设计者们能快速对新产品的性能做出判断﹑对工艺参数的设置做出决策。
目前﹐在表面组装组件的封装和引线设计﹑焊盘图形设计﹑焊点铅料量的选择﹑焊点形态评定等方面尚未能形成合理统一的标准或规则﹐对工艺参数的选择﹑焊点性能的评价局限于通过大量的实验估测。
因此﹐迫切需要寻找一条方便有效的分析焊点可靠性的途径﹐有效地提高表面组装技术的设计﹑工艺水平。
焊点可靠度论述
電子件表面接著銲接之可靠度話題一、概述依據美國EPSI公司Jean-Paul Clech先生整理的數據,在電子產品的失效案例中,失效原因為溫度者佔了55%,是失效之主要原因。
又從表面接著銲接( Surface Mount,SM)PC板之疵病統計中獲知,銲接問題佔60%,其餘為零件問題,可見PC板之疵病問題以銲接為主,其他電子機件應該也是類似狀況。
聯結這兩樣統計數據加以推衍,可以認定銲接失效的主要原因就是溫度,或者說溫度是銲接可靠度的主要問題。
以下謹就美國方面有關鉛錫銲接研究所獲得的可靠度論述加以說明。
二、表面接著銲接可靠度所牽涉之影響因素:(一)製程因素,包括:1.銲點體積:銲點體積不得過小,過小則易致失效。
2.金屬結合性:銲點之金屬間化合物過厚易致失效。
3.表面溼潤(Wetting)程度:良好的溼潤可獲得良好的可靠度,惟浸潤時間過長將致金屬間化合物過厚。
4.製程技術不良:銲點內不同的金屬介面與粒子大小隨製程之良窳變化,製程技術不良會產生老化效應等問題。
(二)材料性質:受焊元件、焊著基體(Substrate)及焊接材料等之性質。
(三)幾何參數:受焊元件、晶體、焊著基體及焊點等形體之幾何參數。
(四)現場環境:譬如焊接之前處理、環境應力篩選、儲運循環、以及工作中受熱及動力循環等。
(五)料件預定使用的壽命。
此外,在評估焊接可靠度時,所認定之失效基準亦將影響銲接可靠度評估的結果。
二、導因於溫度之疲勞問題近共晶(Near eutectic) 鉛-錫合金在常態工作環境為高溫材料,但是在產品工作時,其內部機件之表面接著焊點因熱循環負載與位移導致疲勞,疲勞超限則造成失效,述之如次。
(一)無導線(Leadless)之焊接(無腳元件焊接),因受焊件(Package)與基體(Substrate)間熱脹係數不配合( CTEmismatch),在溫度不斷變化之下焊點各接面上產生循環性的應變,造成材料之老化及疲勞。
(二)有導線之焊接,因導線居間緩衝,減少了受焊件與基體間的整體性熱脹係數不配合(Global CTE mismatch)之影響,惟焊點與導線或焊點與基體間之局部性的熱脹係數不配合( Local mismatch)仍然存在,同樣會造成材料之老化及疲勞失效,成為其焊接失效之主要原因。
SMT焊接质量分析报告
SMT焊接质量分析报告SMT焊接是一种表面贴装技术,通过热熔焊料在基板上的焊点处进行焊接,用于连接表面贴装元件和基板之间的电路。
由于焊接质量的直接影响到电路连接的可靠性和性能,因此对SMT焊接质量进行分析和评估是非常重要的。
首先,焊接质量的分析主要包括焊接质量的可视检查和焊接联络性能的测试。
可视检查可以通过检查焊点的外观来评估焊接质量,包括焊点的形状、光亮度和无焊接缺陷等。
焊点的形状应该是圆形或半球形,无明显的凹陷或突起。
焊点的光亮度应该均匀一致,没有明显的氧化或腐蚀迹象。
焊接缺陷包括冷焊、开花焊、毛刺、焊剂残留等。
如果发现焊点外观不良或有焊接缺陷,需要进一步分析其原因,以便采取相应的措施进行改进。
其次,焊接联络性能的测试是评估焊接质量的重要手段。
常用的焊接联络性能测试方法包括剪切测试、剥离测试和热冲击测试等。
剪切测试用于评估焊接强度,通过施加水平或垂直力来检测焊点是否能够承受剪切力。
剥离测试用于评估焊接可靠性,通过施加拉伸力来检测焊点与基板之间是否能够保持牢固的粘结。
热冲击测试用于评估焊接耐热性,通过快速变温来检测焊点是否会出现裂纹或脱落等问题。
这些测试方法可以定量地评估焊接的质量和可靠性,并提供参考数据进行焊接工艺的改进。
最后,焊接质量分析报告需要综合以上的可视检查和焊接联络性能测试结果,并结合焊接工艺参数、材料质量和生产环境等因素进行综合分析。
分析报告应该包括焊接质量的基本情况、发现的问题和缺陷、问题的原因、解决方案和改进建议等内容。
报告还应提供客观的数据和证据支持分析结果,以便后续的改进工作。
总之,SMT焊接质量的分析和评估是确保产品质量和性能的重要环节。
通过可视检查和焊接联络性能测试等手段可以对焊接质量进行全面的评估,从而为焊接工艺的改进提供有力的支持。
分析报告应该有条理、客观、准确,提出解决问题和改进的具体建议。
SMT 产品可靠性检验流程
SMT 产品可靠性检验流程检验目的:验证SMT生产之产品,焊点强度可靠性。
检验方法与流程:1.焊点外观检验(1)使用工具:X-Ray,3-D显微镜(2)主要检查,X-Ray主要检查Solder Balls solder joint形状,BGA, LGA, QFN等零件短路,位移,V oid大小等;3-D显微镜主要检查引脚外漏零件焊点外观,吃锡角度等,以及BGA零件外围锡球吃锡外观,锡裂,赃物等(3)检验频率:X-Ray:针对BGA,LGA产品每1K,检验1pannel 已经导入3-D显微镜:针对BGA,LGA首件检测四边与中心5颗颗粒外观。
针对不良品分析时使用(4)检验标准:Void大小的允收标准:IPC610D 规范:1、气泡体积≤锡球体积25%为可接受气泡允收标准:2、气泡体积≥锡球体积25%为不可接受Solder Balls位移判定标准:1:锡球偏移PAD≤25%为可接受级2:锡球偏移PAD≥25%为不可接受级Solder Balls短路判定标准:所有短路连锡均不能接受2.焊点强度检验(1)使用工具:推拉力机与夹具(2)主要检查:电阻/电容/电感/SOP,QFP等原件推拉力测量检验频率:新产品/新原件/新锡膏导入时检验;不良分析时(3)检验标准:目前业界暂无检验标准和经验值,除客户单独提出要求。
3.Dye test染色检验(1)使用工具:染色剂,真空泵,烤箱,3-D显微镜(2)主要检查:BGA零件各锡球吃锡是否完好,是否有锡裂现象(3)检验频率:新产品/新原件/新锡膏导入时检验;不良分析时(4)检验标准:在未做过任何Reliability 实验之PCBA不允许有Crack(颜色显示)。
经过Reliability 实验之PCBA Crack出现在焊点端层面≤25%为可接受。
4.切片检验(1)使用工具:研磨机,封胶材料,砂纸,抛光粉(2)主要检查:Cross-section 观察焊点的金相结构,以及IMC成形,焊点的结晶情况。
焊点可靠性研究
SMT焊点可靠性研究近几年,随着支配电子产品飞速发展的高新型微电子组装技术--表面组装技术(SMT)的飞速发展,SMT焊点可靠性问题成为普遍关注的焦点问题。
与通孔组装技术THT(Through Hole Technology)相比,SMT在焊点结构特征上存在着很大的差异。
THT焊点因为镀通孔内引线和导体铅焊后,填缝铅料为焊点提供了主要的机械强度和可靠性,镀通孔外缘的铅焊圆角形态不是影响焊点可靠性的主要因素,一般只需具有润湿良好的特征就可以被接受。
但在表面组装技术中,铅料的填缝尺寸相对较小,铅料的圆角(或称边堡)部分在焊点的电气和机械连接中起主要作用,焊点的可靠性与THT焊点相比要低得多,铅料圆角的凹凸形态将对焊点的可靠性产生重要影响。
另外,表面组装技术中大尺寸组件(如陶瓷芯片载体)与印制线路板的热膨胀系数相差较大,当温度升高时,这种热膨胀差必须全部由焊点来吸收。
如果温度超过铅料的使用温度范围,则在焊点处会产生很大的应力最终导致产品失效。
对于小尺寸组件,虽然因材料的CTE 失配而引起的焊点应力水平较低,但由于SnPb铅料在热循环条件下的粘性行为(蠕变和应力松弛)存在着蠕变损伤失效。
因此,焊点可靠性问题尤其是焊点的热循环失效问题是表面组装技术中丞待解决的重大课题。
80年代以来,随着电子产品集成水平的提高,各种形式、各种尺寸的电子封装器件不断推出,使得电子封装产品在设计、生产过程中,面临如何合理地选择焊盘图形、焊点铅料量以及如何保证焊点质量等问题。
同时,迅速变化的市场需求要求封装工艺的设计者们能快速对新产品的性能做出判断、对工艺参数的设置做出决策。
目前,在表面组装组件的封装和引线设计、焊盘图形设计、焊点铅料量的选择、焊点形态评定等方面尚未能形成合理统一的标准或规则,对工艺参数的选择、焊点性能的评价局限于通过大量的实验估测。
因此,迫切需要寻找一条方便有效的分析焊点可靠性的途径,有效地提高表面组装技术的设计、工艺水平。
SMT焊点可靠性
对 于 一个 孤 立 的焊 点 ,没有 可 靠
通 ,用 手压住Q P F 本体 ,卡片工 作正 线 达 到 整 体 布 局 的 安 排 。 通 过 增 加 常 ,将此 不 良样板 QP 下 ,此位 置 QN F取 F 的接地散 热焊盘 面积并加 装散热
的焊盘 上加锡 ,再进 行焊接 ,测试结 器 ,使 用2 未出现焊 点开 裂现象 , 年
殊 的可 靠性 问题 。
电子产品的失效产生于不 良的设 计 、元件 问题及生产过程 中,电子产 品在 组装 中主要 以通孔 插 装 卜 ) r 和 r
ST焊 点可靠性的重要因素。 M 焊点的热疲劳失效与多种 因素有
11焊 点 失 效 .
基板与表 贴元器件之间焊点的失
关, 已有研究结果表 明焊接工 艺、材
免的冲击 、振动等造成 的焊点机械损 伤;再有就是元件服役过程 中通断 电 或环 境温 度 变化 时 ,焊 点形 成热 循 环 , 元 件 与 基 板 材 料 的C E 配 失 T匹
效 ,引起裂纹 、扩展直至最终断裂造
成焊点失效 。
Байду номын сангаас
钜 凯 系 列 产 品
各种规格和温度系列的无铅锡膏 无卤助焊剂 水基清洗剂 环保型清洗剂
( T 焊 点比较特殊 ,ST S ) M M 焊点不仅提 供 电气互连 ,而且也是 电子元器件与 印制 电路板 (C ) P B 的机械 连接 ,电子
微电子组装焊点可靠性的研究现状
现代 电子信 息 技 术 依 赖 于 微 电子 技 术 的发 展 , 而
电子技术发 展 同样 受 微 电子 封 装 技 术 的 影 响 , 逐 渐 并 发展 成为一 种 多学 科 交 叉 的热 门技 术 , 时微 电子 技 同 术 的发展 , 极 大 地 推 动 了 封 装 形 式 的 不 断 出新 。近 又
效 机 理与 可靠 性 问题 给 予 分 析 与 讨 论 , 微 电子 连 接 为
技 术 的研究 提供 一定 的理论 依 据 。
1 钎料及 工 艺特点
电子组装 中焊 点可 靠性 是 决 定 产 品质 量 关键 的一 环, 焊点 的最 主要作 用是 实 现 芯 片与 外 电路 、 器 件 之 元 间的 电气 连 接 。一 般 最 常 选 用 的 焊 接 材 料 为 锡 铅 合 金, 主要 因其 熔 点低 (8 13℃ ) 润湿 性 高 、 、 抗腐 蚀 性 佳 , 加 上成本 低廉 而 被 广 泛 使 用 于 半 导 体 、 电子 、 讯 、 通 汽 车工业 中。虽 然 锡 铅 钎料 具 有 很 好 的 实 用 性 , 由 于 但 其含铅 成分 对 于人类 的健 康 存 在潜 在 威 胁及 对 环 境 的 危害, 欧盟 于 20 03年颁 布 WE E指令 和 R l E o S法令 , 限
基金项 目: 0 8年南京航空航天大学大学生创新基 金资助项 目; 20 江苏省 普通 高校研究生科技创 新计划 资助项 目;0 6年 江苏省 “ 20 六 大人才高峰 ” 资助项 目
中, 焊接工艺不但影响正常生产还影响产品的最终质 量与可靠性 。因此 , 回流焊工艺是 电子组装技术关键
2 0世 纪 8 0年 代 以 前 , 装 的 主 体 技 术 是 针 脚 插 装 封 H, 特点 是插 孑 安 装 到 P B上 ; 二 阶段 从 2 其 L C 第 O世 纪8 0年代 中期 开始 , S 以 MT技 术 衍生 出的 S P P C 、 O 、L C
焊点的质量与可靠性
焊点的质量与可靠性电子产品的“轻、薄、短、小”化对元器件的微型化和组装密度提出了更高的要求。
在这样的要求下,如何保证焊点质量是一个重要的问题。
焊点作为焊接的直接结果,它的质量与可靠性决定了电子产品的质量。
也就是说,在生产过程中,组装的质量最终表现为焊接的质量。
目前,在电子行业中,虽然无铅焊料的研究取得很大进展,在世界范围内已开始推广应用,而且环保问题也受到人们的广泛关注,但是由于诸多的原因,采用Sn-Pb焊料合金的软钎焊技术现在仍然是电子电路的主要连接技术。
文中将就Sn-Pb焊料合金的焊点质量和可靠性问题进行较全面的介绍。
1 焊点的外观评价良好的焊点应该是在设备的使用寿命周期内,其机械和电气性能都不发生失效。
其外观表现为:(1)良好的润湿(2)适当的焊料量和焊料完全覆盖焊盘和引线的焊接部位(或焊端),元件高度适中;(3)完整而平滑光亮的表面。
原则上,这些准则适合于SMT中的一切焊接方法焊出的各类焊点。
此外焊接点的边缘应当较薄,若焊接表面足够大,焊料与焊盘表面的润湿角以300以下为好,最大不超过600.2 寿命周期内焊点的失效形式考虑到失效与时间的关系,失效形式分为三个不同的时期,如图1所示。
(1)早期失效阶段,主要是质量不好的焊点大量发生失效,也有部分焊点是由于不当的工艺操作与装卸造成的损坏。
可以通过工艺过程进行优化来减少早期失效率。
(2)稳定失效率阶段,该阶段大部分焊点的质量良好,失效的发生率(失效率)很低,且比较稳定。
(3)寿命终结伦阶段,失效主要由累积的破环性因素造成的,包括化学的、冶金的、热一机械特性等因素,比如焊料与被焊金属之间发生金属化合反应,或热一机械应力造成焊点失效。
失效主要由材料的特性、焊点的具体结构和所受载荷决定。
3 焊接工艺引起的焊点失效机理焊接工艺中的一些不利因素及随后进行的不适当的清洗工艺可能会导致焊点失效。
3.1 热应力与热冲击波峰焊过程中快速的冷热变化,对元件造成暂时的温度差,这使元件承受热一机械应力。
(完整word版)焊点的质量与可靠性
焊点的质量与可靠性机电工程学院微电子制造工程1000150312 黄荣雷摘要:本文介绍了Sn-Pb合金焊接点发失效的各种表现形式,探讨失效的各种原因。
在实践基础上,指出如何在工艺上进行改进已改善焊点的可靠性,提高产品的质量。
1 前言电子产品的"轻、薄、短、小"化对元器件的微型化和组装密度提出了更高的要求。
在这样的要求下,如何保证焊点质量是一个重要的问题。
焊点作为焊接的直接结果,它的质量与可靠性决定了电子产品的质量。
也就是说,在生产过程中,组装的质量最终表现为焊接的质量。
目前,在电子行业中,虽然无铅焊料的研究取得很大进步,在世界范围内已开始推广应用,而且环保问题也受到人们的广泛关注,但是由于诸多的原因,采用Sn-Pb焊料合金的软钎焊技术现在仍然是电子电路的主要连接技术。
文中将就Sn-Pn焊料合金的焊点质量和可靠性问题进行较全面地介绍。
2 焊点的外观评价良好的焊点应该是在设备的使用寿命周期内,其机械和电气性能都不发生失效。
其外观表现为:(1)良好的湿润;(2)适当的焊料量和焊料完全覆盖焊盘和引线的焊接部位(或焊端),元件高度适中;(3)完整而平滑光亮的表面。
原则上,这些准则适合于SMT中的一切焊接方法焊出的各类焊点。
此外焊接点的边缘应当较薄,若焊接表面足够大,焊料与焊盘表面的湿润角以300以下为好,最大不超过600。
3 寿命周期内焊点的失效形式考虑到失效与时间的关系,失效形式分为三个不同的时期,如图1所示。
(1)早期失效阶段,主要是质量不好的焊点大量发生失效,也有部分焊点是由于不当的工艺操作与装卸造成的损坏。
可以通过工艺过程进行优化来减少早期失效率。
(2)稳定失效率阶段,该阶段大部分焊点的质量良好,失效的发生率(失效率)很低,且比较稳定。
(3)寿命终结阶段,失效主要由累积的破环性因素造成,包括化学的、冶金的、热-机械特性等因素,比如焊料与被焊金属之间发生金属化合反应,或热-机械应力造成焊点失效。
焊点可靠性分析
• ①A-B-C线——液相线 • ②A-D、C-E线——固相线 • ③D-F、E-G线——溶解度曲线 • ④D-B-E线——共晶点 • ⑤L区——液体状态 • ⑥L+、L+区——二相混合状态 • ⑦ +区——凝固状态
有铅、无铅都应选择共晶或近共晶焊料合金
Sn-Ag-Cu三元系焊料金相图
(3)与焊料量有关
拉伸力 (千lbl/in2)
*>4μm时,由于金属间合金层 金属间合金层厚度与抗拉强度的关系 太厚,使连接处失去弹性,由于
金属间结合层的结构疏松、发脆,
也会使强度小。
金属间结合层的质量与厚度与以下因素有关:
(a)焊料的合金成份和氧化程度 (要求焊膏的合金组分尽量达到共晶或近共晶; 含氧量应小于0.5%,最好控制在80ppm以下)
四. 焊接质量
合格的焊点
焊接缺陷(IPC标准)
IPC标准(分三级)
IPC焊点检验标准举例
SOP、QFP焊点检验标准 •
•
可接受二级
可接受三级
•
F=T/2+G
F=T+G
•
(F—焊点高度 T—引脚厚度 G—引脚底面焊料厚度)
• 产品质量是企业的生命线。SMT是 一项复杂的综合的系统工程技术。必须 从PCB设计、元器件、材料、以及工艺、 设备、规章制度等多方面进行控制,才 能保证SMT加工质量。
(b) 助焊剂质量(净化表面,提高浸润性) (c) 被焊接金属表面的氧化程度(只有在净化表面,才能发
生化学扩散反应) (d) 焊接温度和焊接时间
焊接热量是温度和时间的函数
• 焊点和元件受热的热量随温度和时间的增加而增加。
•
金属间结合层的厚度与焊接温度和时间成正比。
焊点可靠度分析
負責電路板SMT技術之設計、製造、品管、可靠度人員
課程介紹
o電路板可靠度問題及趨勢
o材料、設計、製程對產品品質及可靠統計、可靠度目標
oMiner’s rule
o加速因子、壽命預估方法:模式、PC軟體工具、FEA
o零件技術:LCCC、TSOP、QFP、BGA、CSP、Flip-chip
o解決問題,評估產品可靠度及參數分析
焊點可靠度分析
課程大綱
表面附著技術大量使用於電子產品,使用中焊點承受週期熱應力而產生疲勞失效,所以焊點可靠度評估是SMT中重要的程序,尤其是輕薄短小的趨勢,新的封裝技術不斷地減小體積,增加電力消耗高I/O數目即在嚴厲環境中使用,使焊點承受的應力增加。
本研討會的目的在於提供焊點可靠度實務,設計準則及失效資料,建立SM電路板的可靠度,尤其是細間隙SMT,如BGA、CSP及覆晶等附著技術,了解焊點機構、失效原理、疲勞分析、加速測試及模式,可以掌握材料,製程及設計參數對產品可靠度的影響,如LCCC到TSOP、BGA、Flip-chip及CSP,學習業界先進及專家所得到的經驗,各類零件的附著方式及其失效模分析及加速測試資料,將引用於研討會說明。
焊点可靠性研究
SMT焊點可靠性研究東莞新進電子有限公司SMT焊點可靠性研究前言近几年﹐隨著支配電子產品飛速發展的高新型微電子組裝技術--表面組裝技術(SMT)的飛速發展﹐SMT焊點可靠性問題成為普遍關注的焦點問題。
為通孔組裝技THT(Through Hole Technology)相比﹐SMT在焊點結構特征上存在著很大的差異。
THT焊點因為鍍通孔內引線和導體犴焊后﹐填縫犴料為焊點提供了主要的機械強度和可靠性﹐鍍通孔外緣的犴焊圓角形態不是影響焊點可靠性的主要因素﹐一般只需具有潤濕良好的特征就可以被接受。
但在表面組裝技術中﹐犴料的填縫尺寸相對較小﹐犴料的圓角(或稱邊堡)部分在焊點的電氣和機械連接中起主要作用﹐焊點的可靠性與THT焊點相比要低得多﹐犴料圓角的凹凸形態將對焊點的可靠性產生重要影響。
另外﹐表面組裝技術中大尺寸元件(如陶瓷芯片載體)與印制線路板的熱膨脹系數相差較大﹐當溫度升高時﹐這種熱膨脹差必須全部由焊點來吸收。
如果溫度超過犴料的使用溫度范圍﹐則在焊點處會產生很在的應力最終導致產品失效。
對于小尺寸元件﹐雖然因材料的CTE 失配而引起的焊點應力水平較低﹐但由于SnPb犴料在熱循環條件下的粘性行為(蠕變和應力松弛)存在著蠕變損傷失效。
因此﹐焊點可靠性問題尤其是焊點的熱循環失效問題是表面組裝技術中丞待解決的重大課題。
80年氏以來﹐隨著電子產品集成水平的提高,各種形式﹑各種尺寸的電子封裝器件不斷推出﹐使得電子封裝產品在設計﹑生產過程中,面臨如何合理地選擇焊盤圖形﹑焊點犴料量以及如何保証焊點質量等問題。
同時﹐迅速變化的市場需求要求封裝工藝的設計者們能快速對新產品的性能做出判斷﹑對工藝參數的設置做出決策。
目前﹐在表面組裝元件的封裝和引線設計﹑焊盤圖形設計﹑焊點犴焊量的選擇﹑焊點形態評定等方面尚未能形成合理統一的標准或規則﹐對工藝參數的選擇﹑焊點性能的評價局限于通過大量的實驗估測。
因此﹐迫切需要尋找一條方便有效的分析焊點可靠性的途徑﹐有效地提高表面組裝技術的設計﹑工藝水平。
提高钎料性能对焊点可靠性的影响综述
提高钎料性能对焊点可靠性的影响综述提高钎料性能对焊点可靠性的影响摘要:SMT 工艺技术是SMT 的核心技术,而其中的焊接技术是决定电子产品最终质量的关键一环。
在元器件与印刷电路板的连接中,钎焊技术是主要的焊接方式。
本文集中叙述了近年来钎料性能的研究成果。
关键词:钎料可靠性在SMT封装产品中,焊点是关键的组成部分,既要承载电气通畅、又要承载机械连接。
但由于电子器件的体积和焊点的尺寸越来越小,所需承载的力学、电学和热学负荷却越来越重,这一过程温度循环作用较大、因此,提高焊点可靠性是保证SMT产品质量的关键。
下面我介绍下近年来我国具有代表性的几种新型钎料的研究现状和研究成果。
一、近年来新型钎料性能的研究1、SnZnCu尽管人们对无铅焊料已进行了大量的研究,但普遍认为:在相当的熔化温度、润湿性、机械性能和成本条件下,目前尚未找到铅锡焊料的理想替代物。
因此新型焊料的设计和研制、可焊接性与可靠性研究、焊接工艺的研究是无铅焊料领域的几大前沿性课题。
文献[1]中通过向熔点较低、力学性能优良、价格低廉但润湿性差的SnZn合金中加入合金化元素Cu,有效的提高了钎料的抗氧化性和润湿性。
同时与常用凸点金属层Ni钎焊,考察了钎料可靠性和时效后的IMC生长行为。
为了进一步优化钎料的性能,加入Bi降低熔点和Ni元素细化组织。
2、Au80Sn20随着电子产品小型化、无铅化的发展, 对焊接材料提出了更高的要求。
无铅钎料Au80Sn20 由于具有优良的力学性能, 在高可靠性气密封装和芯片焊接中被广泛应用。
文献[2]指出钎焊温度适中, 仅比它的熔点高出20 ℃~30 ℃(即约300 ℃~310 ℃); 在室温条件下, 金锡合金屈服强度很高, 即使在250 ℃~260 ℃的温度下, 它的强度也能够胜任气密性的要求; 由于合金成分中金占了很大的质量密度(80%),材料表面的氧化程度较低, 所以无需助焊剂, 可以避免光学界面的污染; 具有良好的浸润性, 且对镀金层无铅锡焊料的浸蚀程度很低, 同时也没有像银那样的迁徙现象; 粘滞性低, 液态的金锡合金具有很低的粘滞性, 可填充一些很大的空隙; Au80Sn20焊料还具有高耐腐蚀性、高抗蠕变性和良好的导热和导电性。
SMT焊接工艺及其可靠性
SMT焊接工艺及其可靠性毕业设计报告(论文)报告(论文)题目:SMT焊接工艺及其可靠性作者所在系部:电子工程系作者所在专业:电子工艺与治理作者所在班级: 10251作者姓名:辛春明作者学号: 20103025108指导教师姓名:曹白杨完成时间: 2020 年6月5日北华航天工业学院教务处制北华航天工业学院电子工程系毕业设计(论文)任务书指导教师:教研室主任:系主任:摘要本论文的研究工作是在“SMT焊接工艺及其可靠性”的课题背景下展开的,详细介绍了两种SMT焊接工艺流程以及进行可靠性分析。
良好而牢固的工艺,意味着高成品率、高质量、高效率。
追求良好而牢固的工艺,不仅是产品质量的要求,也是高密度组装的客观需要。
组装的质量最终表现为焊接的质量。
焊接的质量取决于所用的焊接方法、焊接材料、焊接工艺技术和焊接设备。
目前用于SMT 焊接的方法有多种,既有传统波峰焊,又有适应超细元件和多引脚器件焊接而进展起来的红外再流焊、汽相焊、激光焊,并研究出与之相适应的各种再流焊炉(包括热板式、红外式、热风红外式再流焊炉),汽相焊炉(井式与再线式),激光焊机。
不管是哪种方法、用哪种设备,其焊接的过程均是在一定时刻内将焊料与焊区(元器件引脚和PCB焊盘)升高到一定的温度,以致焊料融解并润湿焊接区,随着温度的下降,焊料凝固并形成令人中意的焊点。
本文深入分析SMT焊接工艺,注重提高焊接质量以及进行质量检测,这些内容能够归纳为三个方面:SMT焊接工艺、焊接质量、可靠性。
关键词SMT 波峰焊再流焊质量检测可靠性目录第1章绪论 (1)1.1课题背景及国内外进展概况 (1)1.2SMT焊接工艺 (2)1.3SMT焊接特点 (2)1.4课题的建立以及本文完成的要紧工作 (2)第2章波峰焊 (3)2.1波峰焊的概念 (3)2.2波峰焊机 (3)2.3波峰焊工作原理 (3)2.4生产工艺过程 (4)2.5波峰焊工艺对元器件和印制电路板的差不多要求 (5)2.6焊料和助焊剂 (6)2.7波峰焊工艺曲线解析 (6)第3章再流焊 (8)3.1再流焊的概念 (8)3.2再流焊炉的要紧技术指标及差不多结构 (8)3.3再流焊原理 (9)3.4再流焊工艺特点(与波峰焊技术相比) (10)3.5再流焊工艺要求 (10)3.6再流焊的分类 (10)3.7温度曲线 (12)3.7.1 再流焊的温度曲线组成 (12)3.7.2 测试温度曲线的注意事项 (13)3.7.3 温度曲线的测试方法 (14)3.7.4 温度曲线制作的简单估算 (16)3.7.5 温度曲线的调整 (16)3.8无铅再流焊 (17)第4章焊点质量及可靠性 (19)4.1焊点的外观评判 (19)4.2焊点寿命周期内焊点的失效形式 (19)4.3焊接工艺引起的焊点失效机理 (20)4.3.1 热应力与热冲击 (20)4.3.2 金属的溶解 (20)4.3.3 基板和元件的过热 (21)4.3.4 超声清洗的损害 (21)4.4装卸和移动造成的焊点失效 (21)4.5环境老化 (22)4.5.1 腐蚀 (22)4.5.2 基板材料老化 (23)4.5.3 合金层 (23)4.5.4 蠕变断裂 (23)4.5.5 焊接疲劳 (24)4.6结论 (24)4.7焊接质量检测方法 (25)4.7.1 目视检测 (25)4.7.2 AOI检测 (25)4.8返修工作站 (27)第5章结论 (28)致谢 (29)参考文献 (30)SMT焊接工艺及其可靠性第1章绪论1.1 课题背景及国内外进展概况表面组装技术(SMT)是电子先进制造技术的重要组成部分,SMT的迅速进展和普及,变革了传统电子电路组装的概念,为电子产品的微型化、轻量化制造了基础条件,关于推动当代信息产业进展起到了专门的作用,成为制造现代电子产品的必不可少的技术之一。
焊点可靠性研究详解
SMT焊点可靠性研究前言近几年﹐随着支配电子产品飞速发展的高新型微电子组装技术--表面组装技术(SMT)的飞速发展﹐SMT焊点可靠性问题成为普遍关注的焦点问题。
与通孔组装技术THT(Through Hole Technology)相比﹐SMT在焊点结构特征上存在着很大的差异。
THT焊点因为镀通孔内引线和导体铅焊后﹐填缝铅料为焊点提供了主要的机械强度和可靠性﹐镀通孔外缘的铅焊圆角形态不是影响焊点可靠性的主要因素﹐一般只需具有润湿良好的特征就可以被接受。
但在表面组装技术中﹐铅料的填缝尺寸相对较小﹐铅料的圆角(或称边堡)部分在焊点的电气和机械连接中起主要作用﹐焊点的可靠性与THT焊点相比要低得多﹐铅料圆角的凹凸形态将对焊点的可靠性产生重要影响。
另外﹐表面组装技术中大尺寸组件(如陶瓷芯片载体)与印制线路板的热膨胀系数相差较大﹐当温度升高时﹐这种热膨胀差必须全部由焊点来吸收。
如果温度超过铅料的使用温度范围﹐则在焊点处会产生很大的应力最终导致产品失效。
对于小尺寸组件﹐虽然因材料的CTE 失配而引起的焊点应力水平较低﹐但由于SnPb铅料在热循环条件下的粘性行为(蠕变和应力松弛)存在着蠕变损伤失效。
因此﹐焊点可靠性问题尤其是焊点的热循环失效问题是表面组装技术中丞待解决的重大课题。
80年代以来﹐随着电子产品集成水平的提高,各种形式﹑各种尺寸的电子封装器件不断推出﹐使得电子封装产品在设计﹑生产过程中,面临如何合理地选择焊盘图形﹑焊点铅料量以及如何保证焊点质量等问题。
同时﹐迅速变化的市场需求要求封装工艺的设计者们能快速对新产品的性能做出判断﹑对工艺参数的设置做出决策。
目前﹐在表面组装组件的封装和引线设计﹑焊盘图形设计﹑焊点铅料量的选择﹑焊点形态评定等方面尚未能形成合理统一的标准或规则﹐对工艺参数的选择﹑焊点性能的评价局限于通过大量的实验估测。
因此﹐迫切需要寻找一条方便有效的分析焊点可靠性的途径﹐有效地提高表面组装技术的设计﹑工艺水平。
焊点可靠性之焊点寿命改善
焊点可靠性之焊点寿命改善提高SMT焊点可靠性的方法主要有以下四种:(1) 研制开发新型基板材料以减小陶瓷芯片载体与树脂基板之间的热膨胀系数差。
研究主要集中于印刷电路板材料,已经研制开发了42%Ni-Fe合金(CTE=5ppm/o C)、Cu-因瓦合金-Cu复合材料板(CTE=2.8~13ppm/o C)等新型基板材料,效果较好[41]。
但是由于新型材料制作工艺复杂、价格昂贵,其实用性受到很大限制,90年代起极少有此类研究见于文献。
(2) 提高软钎料合金自身的力学性能,向Sn-Pb共晶合金基体中加入微量合金元素以实现合金强化。
由于实际生产中需综合考虑成本、工艺性等多方面问题,对Sn-Pb基钎料合金而言,这方面的工作较少,主要是添加Ag[42]。
朱颖博士开发了Sn-Pb-RE系列钎料合金,不仅提高表面组装焊点热循环寿命2-3倍,而且在成本和工艺性方面均有很好的应用前景[43]。
近年来,随着环境保护呼声的日益提高,开发无铅钎料(Lead-Free Solder)成为了软钎焊材料研究的热点,HP公司的Glazer对此作了很好的综述[44],焦点在于新型无铅钎料合金在保证润湿性的前提下,其熔点要与现有工艺条件匹配且其力学性能要优于Sn-Pb共晶合金。
(3) 焊点形态优化设计。
作为承受载荷的结构件,不同的焊点形态将导致焊点内部不同的热应力-应变分布,从而导致不同的焊点热疲劳性能。
焊点形态优化设计包括两方面的内容:一是焊点形态预测,即在钎料量、焊点高度、焊盘几何、软钎焊规范等工艺参数确定的条件下,借助于焊点成型的数学物理模型计算出焊点的最终形态。
近年来提出了多种基于能量最小原理的焊点形态预测模型[45-47]。
二是优化设计,即何种焊点形态才具有最优的热疲劳性能。
优化判据的确定是一个涉及到焊点失效机制的理论问题,目前还远没有—1 —解决,现有的优化设计工作的优化判据均是不同形态焊点的热疲劳寿命试验数据[48]。
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由于焊点的可靠性受到十分关注,一直成为电子行业的焦点。关于焊
点可靠性研究的可供参考的文献也非常多。国内以钱乙余,王青春、赵秀
娟 等带 头人 对 s 耵 各类 焊点 的 可靠 性 做了 大量 研 究: 通过 对 真焊 点 形态 参数
的研究,探讨其对焊点可靠性的影响;研究焊点在热循环下应力应变的分
布从而推导出其焊点的疲劳寿命或者是抗蠕变性,通过对焊点可靠性的有
行焊 接。
。…,
S耵是20世纪70 年代获得实际应用的一种新型电子装联技术。它彻底
改变了传统的通孔插装技术。使电子产品的微型化,轻量化成为可能,被
誉为电子组装技术的一次革命,是继手工装联,半自动插装,自动插装后
的第四代电子装联技术。它以缩小产品体积、重量、提高产晶可靠性及电
气性能,降低生产成本为目的,自8 0年代以来得到了飞速发展。当前, sMT已在计算机、通信、军事、工业自动化,消费类电子等领域的新~代产
通过F酬计算得出不同形态焊点内部等效应力,通过比较引线底面所对应的
焊点 上部 的应 力值 大小 ,得 出焊 点无钎 焊圆 角时 可靠 性较 差的 结论 。
’
究数据支持和 理论基础以及具有实用性的 评价方法。
[ 关麓词】s盯7可靠性焊点强度
中图分类号 :T_92 文献标识 码:^ 文章编号 :187卜一75 97( 2咖) ∞趵11 9一01_
i .t
一、 j I ■
电子电路表面组装技术( 又称表面组装技术或表面贴装技术) 一般是指
用自动组装设备将片式、微型化的无引线或短引线表面组装元件/器件( 简
部 蠕变 应变 等 值, 并 与失 效焊 点 内部 裂纹 的 s 雠 图像 进行 对 比, 从 而认 为最
大蠕变应变所在位置为裂纹萌生位置;而J ung等人在分析SI 盯焊京热循环可
靠性时,通过FEM计算得出等效应力等值,并认为最大等效应力所在位置为
裂纹萌生位置;La u等人在分析翼形引线s婀焊点形态对可靠性的影响时,
称s 眦/s如,常称为片状元器件) 直接贴装、焊到印刷电路板( PcB) 表面或其
它基板的表面规定位置上的一种电子装联技术,简称s MT( s ur f a ce
Mo u眦i ngTe chn ol og y) 。表面组装焊接一般采用浸焊或再流焊.若采用再流
焊则先在Pc B上点涂上或丝网印刷上焊青。然后通过再流焊设备熔化焊膏进
限元( Su r f a ce Evo l ver ,ANs ys) 分析来优化焊点形态设计等大量工作。
“国外对S盯L焊点可靠性的分析也逐渐进步。№ka i 等人在预测BGA焊
点寿命时,先通过FEM计算得出循环等效蠕变应变范围代入M锄s on—o f f i n
型方 程预 测焊 点热 疲劳 寿命 ;Lee等 人通过 FEM计算 得出 翼形 引垒 黔舸 焊点 内
;誓●
应用 科拳
‘ s MT焊 点 的 可 靠 性 研 究
,
邓惠
( 湖南安全技术职业学 院湖南长沙4l Ol 51)
[ 摘要 】拟通 过对盱 P焊点 ’的抗拉 强度的 影响因 素,P% ^焊点 的质量 检测及 强度测试 ,cBG^焊点的 可靠性 进行较 为系统 、深入 的研究。 为。电子组装的趋势是淘汰传统的通孔安装技术而趋向10 0%的
表面组装技术。由于I /O端子数要求急剧上升。为了适应这一要求,QFP( 方 型扁平式封装) 元器件的引脚数逐渐增加,引脚间距不断缩小,达到o.3的
极限值,这就限制了组装密度的提高。所以在原有封装品种的基础上增添
了 新的 封装 技术 ,且 当前 s MT已进 入微 组装 、高 密度 组装 和立 体组 装的 新阶
域, 所以这 方面的 研究工 作是 非常有 意义的 。
( 一) 可靠性概述 在S 盯封 装产 品中 ,焊 点是 关键 的组 成部 分, 既要 承载 电气 畅通 ,又 要 承载机械连接。但由于电子器件的体积和焊点的尺寸越来越小,而所需承 载的力学、电学和热学负荷却越来越重,这一过程温度循环作用较大。因 此 ,提 高焊 点可 靠性 是 保证 s MT产 品 质量 的关 键。 表面 组 装焊 点实 际上 是个 软钎焊的搭接接头,用钎料合金把陶瓷芯片载体和树脂印制电路板连接起 来。良好的焊点应该是在设备的使甩寿命周期内,其机械和电气性能都不 发生失 效。其外观表 现为: ( 1) 良好的润湿; ( 2) 适当的焊料量和焊料 完全 覆盖焊 盘和引 线的焊接 部位, 元件高 度适中 ; ( 3) 完整而平滑光亮的 表面。此外,焊接点的边缘应当较薄,若焊接表面足够大,焊料与焊盘表 面的润湿角以3 0。以下为好。理想的焊点形成一个可靠的、电气上连续 的、机械上稳固的连接。适当的可靠性设计( DFR,Desi gn For 跏l i a bi l i t y) 需 要的 ,以 保证 适当 的 性能 .但 s 盯 焊点 其可 靠性 存在 着 很多 问题 ,主 要来 自于生产组装过程和服役过程中。由于陶瓷芯片与树脂基板之间存在着热 膨胀系数。( cTE) 的差异,前者一般为6×10一6℃一1,后者为20×10—6℃一1, 热学参量的失配及集成电路( I c) 与集成系统( I s) 的功率循环引起的热应力 和 交变 循环 将导 致焊 点的 热疲 劳, 从 而使 焊点 的性 能退 化, 可靠 性降 低, 甚至造成I c及I s 失效。在生产组装过程中,由于焊前准备,焊接过程及焊 后检测等设备条件的限制,以及焊接规范选择的人为误差,常造成焊接故 障 ,如 虚焊 、焊 锡短 路 及曼 哈顿 现象 等, 约 占s MT产品 常 见故 障的 85% ,远 高于 其它故障 加器件或 印制板故 障。 ( 二) 可靠性研究现状
段,以及删( 多芯片组件)、BGA(球型栅格阵列),cSP(芯片尺寸封装) 等新
型表 面组装 元器件 的快速 发展和 大量应 用阶段 。
虽然国内外对S帆焊点的可靠性做了大量的研究,但随着SMr 技术的发
展,其可靠性问题一直为研究的热点。它也将促使s MT的发展和广泛应用。
特别是在航空航天及军用电子产品等对焊点的可靠性要求很高的应用领