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。

研究表明，改善焊点形态是提高SMT焊点可靠性的重要途径。90年代以来，关于焊点

形成及焊点可靠性分析理论有大量文献报导。然而，这些研究工作都是专业学者们针对焊点

可靠性分析中的局部问题进行的，尚未形成系统的可靠性分析方法，使其在工程实践中的具体应

用受到限制。

因此，基于设计和控制SMT焊点形态是提高SMT焊点可靠性的重要途径的思想，在进

一步完善焊点形成及焊点可靠性分析理论基础上，实现了焊点工艺参数设计到焊点形态预测

，直至焊点可靠性分析的集成过程，实现SMT焊点形态优化系统，并建立实用化SMT焊点

形态优化设计系统，对于减少SMT产品决策实验工作量，提高决策效率和工艺设计水平，

保证SMT焊点的可靠性具有重要的技术、经济意义。

1.1SMT及其焊点失效

表面组装技术（Surface Mount Technology）简称SMT是通过再流焊、气相焊或波峰焊等

软铅焊方法将电子组件贴装在印制板表面或基板上的微电子组装技术。与传统封装形式相比

，SMT具有体积小、重要轻、集成度高、可双面封装、易于实现自动化以及抗电磁干扰能力强等优点。

组装包括芯片内组装（如将芯片封装在基板上成为一个完整的表面组装组件）和芯片外组装（将表面组装组件或单一组件器件封装在印制板上）。按照封装组件的类型，SMT包括无引线陶瓷芯片载体LCCC，方型扁平封装QFP以及球栅数组BGA等组装形式，如图1所示。

可见，在SMT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，因此，提高焊点可靠性是保证SMT产品质量的关键。

SMT可靠性问题主要来自于生产组装过程和服役过程中。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SMT产品常见故障的85%，远高于其它故障如器件或印制板故障。

在实际工作中，SMT产品经常处于温度波动的服役环境中，如计算器内电子组装件经常经历通断电，电子组件和PCB板不断被加热和冷却，由于材料间热膨胀系数的差异，在焊点上必然产生热应力，应力的大小和方向会随着温度的变化而变化，而造成焊点的疲劳损伤，

SnPb铅料的熔点较低，焊点会产生明显的粘性行为，即蠕变和应力松弛现象，Attarwala等人通过研究SnPb铅料断口形貌得出，失效焊点断口表面主要有表征疲劳断裂的疲劳裂纹和表征蠕变断裂的沿晶裂纹，说明焊点失效为蠕变--疲劳作用的结果。

SMT 焊点在服役条件下的可靠性问题，即在热循环或功率循环中，由于芯片载体与基板之间的热膨胀失配所导致的焊点的蠕变疲劳失效问题，是SMT 领域丞待解决的重要问题，下文所指的SMT焊点可靠性即为SMT焊点在服役条件下的可靠性。

1.2SMT焊点可靠性的影响因素

研究表明，SMT焊点可靠性的影响因素主要有以下几个方面：1．材料因素裂纹的起裂与扩展是焊点失效的直接原因。铅料的微观结构即铅料的组织结构、晶粒尺寸决定着铅料的变形机制、疲劳裂纹扩展机制，从而对焊点的可靠性有决定性影响。如图2是改变铅料中Sn、Pb的配比所对应的不同铅料中含Sn量的增加，焊点疲劳寿命增加。适当添加合金元素，如Ag、Sb、Re等可在保证铅料的熔点低、润湿性好，接头强度高等优点的前提下，提高铅料的抗蠕变一疲劳性能，改善焊点可靠性。

另外，由于组件与基板材料CTE不匹配导致焊点在热循环过程中产生应力集中，是导致焊点裂纹的萌生与扩展的本质因素，因此，研制开发展适当的基板材料，减小电子组件与基板的热膨胀系数差异，可抑制焊点的失效。

2．内部缺陷SMT 软铅焊接头因其微小的尺寸，复杂的焊接材料，产生缺陷的几率较大，主要有外观缺陷，如接头外型不良、引线间的桥接、芯吸等，以及内部缺陷，如气孔、有害金属间化合物、虚焊等。这些缺陷的存在都对焊点的可靠性有致命的影响。目前存在的焊点缺陷检测方法，很难检测尺寸本来就十分微小的SMT 焊点内部的更加微小的缺陷，因此，关于缺陷对SMT 焊点可靠性影响的理论研究少有文献报导。哈工大微连接实验室初步研究了不同尺寸球状气孔对接头机械性能的影响，如图3，曲线 1 表示接头外边缘在线的最大应力峰值的变化，曲线2表示气孔周围主应力值的变化，可见，由于气孔的存在，SMT软铅

焊接头的机械载强度明显下降。

3．服役条件SMT 产品的可靠性很大程度上决定于服役条件如，环境温度、周期性加载频率等。Gregory等人模拟焊点热循环的疲劳过程，考察了温度、加载频率对焊点疲劳寿命的影响，结果表明，随着温度的增加，焊点应变范围增加，失效周期数降低。随着加载频率增加，焊点疲劳寿命降低。Tien等人的研究表明，焊点高温保温时间短，焊点内的应变恢复的多，将延长焊点疲劳寿命。保持时间长，由于蠕变的作用，可恢复应变少，增加了焊点内部应变，寿命降低。

4•焊点形态SMT焊点形态即铅料受热熔化以后，沿金属表面润湿铺展冷凝后形成的具有一定