SMT焊点质量检测方法

SMT焊点质量检测方法热循环为确保电子产品德量稳固性和可靠性，或对失效产品进行剖析诊断，一般需进行必要的焊点质量检测。

SM T中焊点质量检测办法很多，应当依据不同元器件、不同检测项目等选择不同的检测方法。

1 焊点质量检测方式焊点质量常用检测方法有非破坏性、破坏性和环境检测3种，见表1所示。

1.1 目视检测目视检测是最常用的一种非破坏检测方法，可用万能投影仪或10倍放大镜进行检测。

检测速度和精度与检测职员才能有关，评价可依照以下基准进行：⑴润湿状况钎料完整笼罩焊盘及引线的钎焊部位，接触角最好小于20°，通常以小于3 0°为标准，最大不超过60°。

⑵焊点外观钎料流动性好，表面完全且平滑光明，无针孔、砂粒、裂纹、桥连和拉尖等渺小缺点。

⑶钎料量钎焊引线时，钎料轮廓薄且引线轮廓显明可见。

1.2 电气检测电气检测是产品在加载条件下通电，以检测是否满足所请求的规范。

它能有效地查出目视检测所不能发明的微小裂纹和桥连等。

检测时可应用各种电气丈量仪，检测导通不良及在钎焊进程中引起的元器件热破坏。

前者是由渺小裂纹、极细丝的锡蚀和松香粘附等引起，后者是由于过热使元器件失效或助焊剂分解气体引起元器件的腐化和变质等。

1.3 X-ray 检测X-ray检测是应用X射线可穿透物资并在物质中有衰减的特征来发明缺陷，主要检测焊点内部缺陷，如BGA、CSP和FC焊点等。

目前X射线装备的X光束斑一般在1-5μm范畴内，不能用来检测亚微米规模内的焊点微小开裂。

1.4 超声波检测超声波检测利用超声波束能透进金属材料的深处，由一截面进入另一截面时，在界面边沿发生反射的特色来检测焊点的缺陷。

来自焊点表面的超声波进入金属内部，碰到缺陷及焊点底部时就会发生反射现象，将反射波束收集到荧光屏上形成脉冲波形，根据波形的特色来断定缺陷的位置、大小和性质。

超声波检验具有敏锐度高、操作便利、检验速度快、本钱低、对人体无害等长处，但是对缺陷进行定性和定量判定尚存在艰苦。

扫描超声波显微镜（ C-SAM）重要应用高频超声（一般为100MHz以上）在材料不持续的处所界面上反射产生的位相及振幅变更来成像，是用来检测元器件内部的分层、空泛和裂纹等一种有效办法。

采用微声像技巧，通过超声换能器把超声脉冲发射到元件封装中，在表面和底板这一深度范畴内，超声反馈回波信号以稍微不同的时光间隔达到转化器，经过处置就得到可视的内部图像，再通过选通回波信号，将成像限制在检测区域，得到缺点图。

一般采取频率从100MHz到230MHz，最高可达300MHz，检测辨别率也相应进步。

1.5 机械性损坏检测机械性破坏检测是将焊点进行机械性破坏，从它的强度和断裂面来检讨缺陷的。

常用的评价指标有拉伸强度、剥离强度和剪切强度。

因为对所有的产品进行检测是不可能的，所以只能进行适量的抽检。

1.6 显微组织检测显微组织检测是将焊点切片、研磨、抛光后用显微镜来察看其界面，是一种发明钎料杂质、熔蚀、组织结构、合金层及渺小裂纹的有效办法。

焊点裂纹一般呈中心对称散布，因而应尽量可能沿对角线方向制样。

显微组织检测和机械性损坏检测一样，不可能对所有的成品进行检测，只能进行适量的抽检。

光学显微镜是最常用的一种检测仪器，放大倍数一般达1 0000倍，可以直观的反应材料样品组织形态，但辨别率较低，约20nm。

1.7 其它几种检测方式染色试验荧光渗透剂检测是利用紫外线照耀某些荧光物资产生荧光的特征来检测焊点表面缺陷的方法。

检验时先在试件上涂上渗透性很强的荧光油液，停留5~10min，然后除净表面过剩的荧光液，这样只有在缺陷里存在荧光液。

接着在焊点表面撒一层氧化镁粉末，振动数下，在缺陷处的氧化镁被荧光油液渗透，并有一部分渗透缺陷内腔，然后把过剩的粉末吹掉。

在暗室里用紫外线照耀，留在缺陷处的荧光物质就会发出照亮的荧光，显示有缺陷。

磁粉检测是应用磁粉检测漏磁的方法，检测时利用一种含有细磁粉的薄膜胶片，记载钎焊焊点中的质量变化情形。

使用后的几分钟内，胶片凝固并把磁粉“ 凝结”在必定的地位上，就可以察看被检测试件上的磁粉分布图形，断定是否有缺陷。

由于大多数钎料是非磁性的，因此不常用于钎焊焊点的检验。

化学分析方法可丈量样品的均匀成分，并能达到很高精度，但不能给出元素分布情况。

染色与渗透检测技巧（D&PT）是通过高渗透性高着色性染料渗透到焊点开裂区域，然后拉开焊点，观测焊点内部开裂水平和分布。

试验时必需警惕把持拉断器件时的外力，以保证焊点持续沿预开裂区域断开。

X-ray衍射（XRD）是通过X-ray在晶体中的衍射现象来剖析晶体结构、晶格参数、缺点、不同结构相的含量及内应力的方法，它是树立在必定晶格结构模型基本上的间接方法。

电子显微镜（EM）是用高能电子束做光源，用磁场作透镜制造的电子光学仪器，主要包括扫描电子显微镜（SEM），透射电子显微镜（TEM），电子探针显微镜（EPMA）和扫描透射电子显微镜（STEM）。

其中SEM用来视察样品表面形貌，TEM用来察看样品内部组织形态和结构，EPMA用来断定样品微观区域化学成分，STEM具有SEM和TEM的双层功效。

此外，红外热相（IRTI）分析、激光全息照相法和实时射线照相法等也可用于焊点质量检测。

表2为不同分析项目标一些主要分析方法。

2 加载检测及可靠性评价产品失效主要原因包含温度、湿度、振动和灰尘等，各占比例为55%、19%、20%和6%。

加载检测是每一个部件在适用条件下进行加载以检测其动作状态，方法有振动检测、冲击检测、热循环检测、加速度检测和耐压检测等，一般依据适用条件把它们组合起来进行，且要求对每一个成品进行检测。

这种方法最为严厉，可靠性高，只有航天产品等可靠性要求特殊严厉的情况下才予以采用。

近年来国际上采用一种全新的焊点可靠性评估方法，即等温加速扭转循环法（MDS），通过在必定温度下周期扭转全部印刷电路板来考核焊点的可靠性。

该方法在焊点内产生的应力以剪切应力为主，和温度循环类似，因而失效模式和机理极为类似，但试验周期却可从温度循环的几个月减少到几天。

该方法不但可以用来快速评估焊点可靠性，同时也可以用来进行快速设计和工艺参数优化。

可靠性评价分类见表3。

迁移是金属材料在环境下化学反映形成的表面侵蚀现象，其生长过程分为阳极溶解、离子迁移和阴极还原，即金属电极正极溶解、移动，在负极析出导致短路。

迁移的发生形态常称为Dendrite和CAF（见图1）。

Dendrite指迁移使金属在PCB 的尽缘部表面析出，或者是形成树枝状的氧化物；CAF指金属顺着印制板内部的玻璃纤维析出，或者使氧化物作纤维状的延长。

金属离子的指标可用尺度电极电位Eo来表现，其中Sn比Pb和Cu稳固，能形成维护性高的纯态氧化膜，克制阳极溶解。

电极电位的大小不仅取决于电对的天性，还与加入电极反响的各种物资的浓度有关。

对于大多数电对来说，由于（H+ 或OH-）直接参与了电极反映，因此电极电位还与pH值有关：pH值越高，电极电位越小。

另外，助焊剂残留假如不清洗清洁，一些腐蚀性、活性元素（如Cl）会使电迁移更强，影响电路可靠性。

所以，目前常用免清洗助焊剂严厉把持其活性和组份。

3 热循环加速试验热循环失效是指焊点在热循环或功率循环进程中，由于芯片载体材料和基础材料存在显明的热膨胀系数（CTE）差别所导致的蠕变,疲劳失效。

通常SMT中芯片载体材料为陶瓷（Al2O3），CTE为6.0x10-6/℃，基板资料为环氧树脂/玻璃纤维复合板（FR4），CTE为20.0x10-6/℃，二者相差3倍以上。

当环境温度产生变更或元件本身通电发热时，由于二者间C TE差别，在焊点内部就发生周期性变化的应力应变过程，从而导致焊点的失效。

IPC-9701尺度化了五种试验条件下的热循环实验方式，从良性的TC1参考循环条件到恶劣的TC4条件，符合及格请求的热循环数（NTC）从NTC-A变更到NTC-E（见表4）。

失效循环次数可用一个简略修改的Coffin-Manson数模来猜测，并可以加速获得热循环测试成果。

Coffin-Manson数模是关于热应力引起的低循环疲劳对微电路和半导体封装可靠性影响进行建模的有效方法，表达式为：其中：Nf为疲劳失效循环数，A为常数，εp为每个循环的应变范畴，f为循环频率，K 为波尔兹曼常数（eV），Tmax为最高循环温度（K）。

IPC-9701应用Engelmaier-wild焊点失效模型来评估加速因子AF(循环数)和AF(时光)。

AF(循环数)与焊点的循环疲劳寿命有关，是在给定使用环境中产品寿命的实验中获得，可表现为：其中：AF为加速因子，Nfield为现场循环数，Nlab为试验循环数，ffield为现场循环频率，flab为试验循环频率，△Tfield为现场温度变化，△Tlab为试验温度变化，Tfield -max为现场最高温度，Tlab-max为试验最高温度。

AF（时间）与焊点失效的时光有关，是在给定的使用环境中产品寿命的实验中获得，可表现为：AF（时间）=AF（循环数）×[(ffield/flab)(3)设计试验时，在芯片和PCB内引进菊花链结构使得组装后的焊点形成网络，通过检测网络通断来判定焊点是否失效。

一般须要采取高速持续计划，在纳秒级内连续高速采样，以保证及时正确探测到焊点的开裂。

评价时常依据某一恒定的金属界面上电位降或电阻变化来断定焊点的质量，一般电阻增添150~225Ω?ms，就可断定为电性能失效，测得的电阻值超过阀值电阻1000 Ω，就以为是开路。

意的是，雷同高温温差引起的损坏水平比低温要大，高温变率条件下失效循环次数比低温变率条件下失效循环次数要低，这对其它温度规模和温变率的猜测供给了更守旧的失效周期，起到加速试验的后果。

但在快速温变条件下如果转变了失效机理，焊点特点值的变化就不可能真实地反响大多数现场利用情况。

此外，Reza Ghaffarian还发现失效应力条件可从全局改变为局部，比如小型化封装易出现从焊接接合点到封装组装一侧的失效转移，这就要求树立准确的的失效模型，否则会导致过错的失效循环次数猜测结果。

一般规定热循环可接收指标为：-40~150℃，800~1000次循环未失效即可。

这些基于和实际现场使用条件相应的模仿成果的指标有很大的安全余量，对于大多数产品来讲，300次循环就已足够。

4 焊点失效机理4.1 工艺方面4.1.1 热应力与热冲击钎焊过程中快速冷热变化，对元件造成暂时的温度差，使元件承受热机械力，导致元件的陶瓷与玻璃部分产生应力裂纹，成为影响焊点长期可靠性的不利因素。

钎料固化后，PCB 由高温降到室温，由于PCB和元件间cte不同，有时也会导致陶瓷元件决裂。

PCB的玻璃转化温度（Tg）一般在室平和180℃之间。