第四章 焊点机械可靠性设计及评价方法

胶加固技术
BGA底部填充降低应力
焊点强度试验和分析方法
板级焊点强度试验 焊点拉力试验 焊点推力试验 三点弯曲试验 四点弯曲试验 跌落试验 振动试验
器件级焊点强度试验 BGA焊点推力/拉拖试验
焊点强度试验和分析方法－焊点推力试验
推刀速度：0.5mm～9mm/min
2
焊点推力试验样品
四种不同的电容 元件焊点强度比 较 参考JIS Z3198标 准，对片式电容 元件，以水平方 向以9mm/min速率 进行推剪力测 试，直至元器件 与焊盘脱离，记 录推剪力，在立 体显微镜下观察 并记录断裂模 式。
机械可靠性设计要点 增加焊点的强度（往往通过增加焊接面积） 减少器件和板之间的相对位移（减少振动、冲击条件下
的应力） 在振动应力强的情况下，增加支撑（胶固定） 在振动应力强的情况下，可能需要增加阻尼减震器 器件长轴和应力方向平行 优化焊接工艺，形成均匀的焊点微观结构 积累焊点强度数据，为设计提供依据
焊点机械强度的决定因素 1）焊接材料（焊料） 2）焊接的面积 3）焊点润湿情况 4）焊点内部微观结构 5）焊点界面结构（IMC）
1 焊点微观结构对强度的影响
Ag的浓度 冷却速度 和Cu的含量
近可能不要形 成大量的 Ag3Sn合金
焊点微观结构对强度的影响
2～7％Wt 易产生金脆 对高温老化等条件敏感
镀层中Au厚度过厚导致 在焊点破裂失效
50
100
150
Pull strength for different alloy/PCBs ranked as follows:. SnPb/FR1<SnBi/FR1<SAC/FR4
25.0% 20.0% 15.0% 10.0%
5.0% 0.0%
0 -5.0%
Push Strength Comparison(1)
Ram Height
Baidu Nhomakorabea
Solder Ball Substrate
Ram Height----> 50 μm (2 mils) ≤ 25% of Ball Height
Ram Width----about the ball size
主要失效模式
焊点强度和速度之间的关系
不同推刀下焊点失效模式比较
不同速率和推刀下焊点强度比较
第四章 焊点机械可靠性 设计及评价方法
邱宝军
020-87237921，qiubaojun@ceprei.com
焊点机械可靠性要求
电子组件在焊接、运输、使用等条件下，通常会由于振动、冲 击弯曲变形等，从而在焊点或者器件上产生机械应力，并最终导 致焊点或者器件失效。
焊点的机械失效模型通常用强度应力干涉模型来表示。
6
焊点经过多次回流后的试验结果比较
2 不同冷却速率条件下焊点强度分析
2 不同冷却速率条件下焊点强度分析
2 不同冷却速率条件下焊点强度分析
3 不同老化时间对焊点强度的影响分析 测试方法
不同合金厚度随老化时间的关系 （150度）
7
不同合金结构随老化时间的关系 （150度）
不同失效模式随老化时间的关系 （150度）
4
焊点拉拔试验方法
焊点失效模式分析
焊点拉拔试验示意图
焊点拉拔试验照片
焊点拉拔试验照片
速率对焊点强度的影响
5
器件固定方式比较
焊点典型失效模式比较
BGA焊点强度试验方法汇总
相关研究： 1 多次回流对焊点强度的影响分析
断 裂 模 式 比 较
焊点经过多次回流后的试验结果比较
焊点经过多次回流后的试验结果比较(SAC405)
试验结果
焊点强度试验和分析方法－焊点拉力试验
不同引脚镀层焊点的强度比较
SnPb/FR1
SnBi/FR1
SAC/FR4
9.0% 8.0% 7.0% 6.0% 5.0% 4.0% 3.0% 2.0% 1.0% 0.0%
0
Pull Strength Comparison(1)
SnPb+FR1 SnBi+FR1 SnAgCu+FR4
三点弯曲试验
三点弯曲试验－焊点电阻随变形的关系
三点弯曲试验－失效模式
8
机械振动试验
移动式设备跌落失效
（参考器件振动条件进行）
温度老化对跌落失效的影响
跌落失效模式
9
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10
Au焊料对焊点性能的影响图
1
2 IMC对焊点强度影响
金属间合金层厚度（μm）
*厚度为0.5μm～1.5um时抗拉强度 最佳；
*0.5～4μm时的抗拉强度可接受；
拉伸力 （千lbl/in2）
*＜0.5μm时，由于金属间 合金层太薄，几乎没有强度；
金属间合金层厚度与抗拉强度的关系
*＞4μm时，由于金属间合金层太 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。
SnPb/FR1 SnBi/FR4 SAC/FR4
20
40
60
80
Push strength for different alloy/PCBs joints ranked as follows:. SnPb/FR1>SnBi/FR1>SAC/FR4
3
BGA焊球推力试验
Shear Ram
Shear Direction