第四章_焊点疲劳失效机理可靠性评价方法-修订版

热疲劳失效的三个因素
焊点疲劳失效的三个重要因素 ① 热膨胀系数不匹配 ② 温度差 ③ 周期性工作 焊点疲劳失效过程： 温度变化导致的热应力---焊点应变（蠕变应变）---焊点金属学变化和疲
劳损伤----焊点开裂失效
焊点应力--------焊点材料特性
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a) 热膨胀系数（CTE）不匹配
Crack Crack Void
焊点金相分析照片
粗化带
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焊点金相分析照片
4.3.5 焊点寿命试验数据分析
焊点累积失效函数—威布尔分布
威布尔函数演化
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威布尔分布的线性最佳拟和方法：
累积失效函数
取两次对数
F ( x) 1 e ( x / )
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元器件资料要求
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ 封装轮廓图 内部芯片尺寸和位置 封装的菊花链图 焊点、焊球、引脚的共面性 焊球剪切或引脚拉力值，可能的话提供失效的模式 X Y 的CTE值 焊点润湿的焊盘直径（允许的话） 焊点焊盘形式（比如SMD NSMD） 引脚表面或焊盘金属结构（包括各层的厚度及焊料组成。

1 ln ln ln x ln 1 F ( x)
y lnln-scale 1 1-F(x) x ln-scale
Y X C
C ln
e
C /
X ln x
n i
Y ln ln
2 n
1 1 F ( x)
n n i i i
TC3
TC4 TC5
-40°C +125°C
-55°C +125°C -55°C 100°
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典型加速条件示例
焊点加速试验系统示意图
样品和数据测试系统
试验箱 试验样品，试验系统，试 验结果
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试验截至时间：
推荐：63.2％样品失效 或者根据起面的经验数据
1 温度变化速率 失效机理---剪切应力-蠕变和塑性变形
要求：温度变化速率不能超过
注：当温度变化速率超过20℃/min则为温度冲击。导致的失效模 式则主要为由于瞬间的热不匹配导致的拉应力。 2 温度保持时间 为了保证焊点蠕变和应力松弛的时间，减少保温时间将明显节省 试验时间。 则：要求要有一定的蠕变时间（温度停留时间） 有铅：10min 无铅：10min～30min 3）产品在恶劣条件下使用，可能会违反1或者2要求时，要进行详 细的分析 温度过低或者过高会导致其他的失效机理
焊料金属粗化照片
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焊点热疲劳失效示例图
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4.3 焊点疲劳寿命评价方法
焊点疲劳寿命评价主要标准
焊点疲劳寿命试验样品设计方法
焊点疲劳寿命试验参数选择要求 焊点疲劳寿命数据监测及分析 焊点疲劳失效分析
对于电子组件，如何通过试验方法确定焊点的疲劳寿命
T1－
=芯片假件上连接 =测试板上连接 图4 17x17 PBGA/PCB板菊花链设计图
焊点的菊花链设计技巧示例
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焊点的菊花链设计技巧示例
焊点的菊花链设计技巧示例
外围引线的设计技巧
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4.3.2 数据采集要求
必须采用自动数据采集系统。 1）事件监测方法 优点：可以监测电阻瞬间的开裂状况 缺点：可能太敏感，导致误判 判据：电阻值超过300欧姆（可能由所不同） 2）电阻测试方法 优点：不会导致误判 缺点：不能监测焊点瞬间的开裂—有滞后性 判据：电阻增加超过20%。（放宽时可以为50%）
PCB要求
菊花链测试要求 PCB的菊花链测试结构和器件的要能够对应。 PCB要求 采用最少6层铜，厚度为2.35mm的印制板。 当器件的尺寸大于40mm时，采用厚度为3.15mm，8层铜的印制板。 电源和地层必须大于70％地铜 信号层必须大于45％的铜 菊花链最好只在最外层。
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试验样品菊花链设计要求
Output Input
3
Package Side
Daisy chain on substrate Daisy chain on PCB
PCB Side
2
Substrate + PCB
焊点的菊花链设计要求及技巧
菊花链的设计要求能够包括所有的焊点； 针对外围焊点和芯片附近焊点最好采用单独的菊花链 设计； 为了失效分析的方便，近可能引出测试焊盘；
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停留时间的影响示例
387焊点热循环不同保温时间余留应变值
温度 ℃ 120 100 20 0 -20 -40 5min 0.34 0.34 1.9 2.6 3.4 4.2 10min 0.17 0.29 1.8 2.5 3.3 4.2 30min 0.11 0.2 1.5 2.3 3.1 4 应变值 % 60min 0.07 0.14 1.3 2 2.8 3.7 90min 0.05 0.13 1.1 1.8 2.6 3.5 120min 0 0.1 1 1.6 2.4 3.3 8h 0 0 0.3 0.7 1.2 1.8 16h 0 0 0.1 0.3 0.5 0.9
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常用的温度循环加速试验条件
温度范围设置 Tmax：100℃ Tmin：0℃
高低温停留时间
有铅：10min 无铅：10min～30min 温度变化速率 <20°C/min 推荐10°C/min～15°C/min
常用的温度循环加速试验条件
IPC-9701
TC1 TC2 0°C+100°C (Preferred Reference) -25°C +100°C
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T+
T-
=芯片假件上连接 =测试板上连接 图1 7x7 PBGA/PCB板菊花链设计图
T2+
T2－
T3＋
T1＋ T1－
T3－
=芯片假件上连接 =测试板上连接 图3 15x15 PBGA/PCB板菊花链设计图
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T1+
T2+
T3+
T4+
T4－
T3－
T2－
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焊点疲劳可靠性评价标准
IPC-SM－785 表面组装焊点可靠性加速试验 试验指南（指南性） IPC-9701 表面组装焊点性能测试方法和鉴定 要求（给出了详细要求） JESD22-104-B 温度循环试验
焊点疲劳可靠性评价基础
焊点疲劳失效的机理清楚： 焊点在温度循环条件下，由于热膨胀悉数不同，在焊 点内部发生周期性的应力应变，并同时引发焊料的蠕 变变形，最终导致焊点金属学发生变化，引起焊点开 裂。 焊点疲劳失效的模型清楚 采用基于W-E方程的低周疲劳模型 从而，通过一定的加速寿命试验方法－－获取焊点疲 劳寿命数据成为可能。 理想的加速试验方法:
4.3.4 焊点的失效分析
染色试验 金相切片分析 当菊花链的电阻超过20％或者电阻超过300欧姆时，器 件失效－－－如何能够准确定位到失效焊点 －－－从哪里判断焊点疲劳失效的特征
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染色渗透试验
原理 通过将样品置于染色液中，让染 色液渗透到有裂纹或孔洞的地方。 垂直剥离已经焊上的元器件，其引 线脚与焊盘将从有裂纹或孔洞等薄 弱界面分离，元器件分离后被染红 的焊点界面将指示该处在强行剥离 前存在缺陷，即焊点不良部位被检 测到。
力学因素 焊点特殊 结构形式 高应力三轴度 较高水平的相对损伤应力
外部力学条件
金属学因素
钎料合金 力学性能 界面处Cu-Sn金 属间化合物生长 空位沿相界 间的扩散
界面空洞损伤
内部金属学物质基础
焊点失效
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焊点内部金属学演化过程
疲劳周期常常从焊料晶粒变大的形式开始，并可能在外露 的表面上呈现凹凸不平。
方法与步骤 •取样(整体或局部) •溶剂清洗（去除残留物） •染色（染色液＋低压） •干燥（保持染色区域） •垂直分离器件与PCB •检查与纪录（显微镜）
Dye Penetration Inspection
用途
检测失效焊点的分布 检测裂纹存在的界面
BGA
PCB
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金相分析（切片加扫描电镜）
全局不匹配
器件和PCB不同的热膨胀系数所导致； 由不同的热膨胀系数和温度产生； 全局热不匹配的范围一般为：2-14ppm/℃ 全局热不匹配通常较大：CTE 差大和对角线距离等都较大 全局不匹配将会导致周期性的应力应变，并导致焊点疲劳失效。
局部不匹配 焊点本身材料的不匹配，导致的焊点应变通常在um级别。
焊点构成及作用
焊点的基本构成 器件引脚 焊料 PCB焊盘 界面的金属化层
焊点基本作用 电气连接 机械连接
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焊点的主要可靠性问题
① 焊接缺陷（空洞、虚焊、冷焊等） ② 焊点疲劳失效（和长时间工作相关） ③ 焊点过载开裂（拉伸，跌落，弯曲，振动等）
其中又以焊点疲劳失效对组件的长期可靠性影响最大
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第四章 SMT焊点疲劳失效机理 及评价方法
邱宝军
020-87237355，qiubaojun@ceprei.com
主要内容
焊点的特点及作用 焊点疲劳失效机理 焊点疲劳失效可靠性试验方法 焊点疲劳失效可靠性设计要求 焊点疲劳失效分析方法
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典型焊点结构回顾
事件监测仪测试结果
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电阻测试结果
4.3.3 试验条件选择要求
焊点疲劳失效的机理决定寿命试验的方法采用 温度循环试验，则主要的试验参数为： 最高温和最低温
温度保持时间
温度变化速率
试验参数选择的原则是保持失效机理不变！
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实际产品的使用条件参考
常用参数的分析
不改变机理的情况下，最快暴露相关失效。
问题：是否真正理解焊点失效机理？
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4.3.1 样品设计要求
元器件的要求
PCB要求
资料的要求 菊花链设计方法
无法直接对实际的产品进行焊点可靠性评 价—无法监测
元器件要求
菊花链测试要求 为了保证在温度循环过程中，焊点的可靠性，封装材料与 芯片级互连能够被监测，要求在采用内采用菊花链芯片。 如果仅仅考虑焊点的可靠性，允许采用菊花链设计基板和 相同尺寸和材料的假芯片。 器件布局要求 元器件布局、结构和材料必须和实际产品一致，包括粘接 材料和工艺，底部填充胶和工艺过程以及芯片粘接过程。
结论； 在100℃，保持时间10-30min就足够 在20 ℃，30-60min保持时间就足够 在0 ℃，保温时间超过90min也没太大意义
常用参数的分析
最高温和最低温 适当提高最高温度和降低最低温度能够加速失效的 进行，节省试验时间。 最高温不能超过PCB或器件材料的玻璃转化温度 最低温小于-20℃时，可能导致其它的失效 当产品的使用环境恶劣从而违反第二第三条时，要 对失效样品进行详细的分析。 温度过低或者过高会导致其他的失效机理
焊点疲劳失效案例
委托单位反映 样品经500小 时温度冲击后 失效。
疲劳失效的 典型特征
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wk.baidu.com
4.1 热疲劳失效机理
电子组装件通常用于电子产品中，服役环境的振动、外 力等载荷条件较为少见，主要是承受热循环载荷。这一方 面来自于电子产品开关等操作造成的功率循环，一方面来 自于服役环境的温度循环。 （载荷条件） 由于陶瓷芯片载体与树脂基板之间存在热膨胀系数 (Cofficient of Thermal Expansion, CTE)不匹配，前者一般 为6ppm/oC，后者一般为20ppm/ oC，温度循环将在软钎料 合金内部导致热应力-应变循环，同时引发金属学组织的演 化。力学和金属学因素的共同作用导致宏观表象为裂纹的 萌生与扩展，实质为电信号传输失真的失效现象。
焊点局部和全局热不匹配图
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附 典型材料的热膨胀系数参考表
b) 温度差 T
① 样品工作导致温度差异 ② 外界温度变化导致温差差
样品外观照片
样品工作时的温度分布图
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某显示器件的热应力分布图
LED Display
Pins LED Display PCB
4.1.2 焊点疲劳失效机理解析
n n n n X iYi X i Yi i 1 i 1 i 1 2 n n 2 n X i X i i 1 i 1
C
( X ) Y X X Y