基于SMT生產(chǎn)的無鉛焊點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用

展亞鴿

【摘? 要】基于現(xiàn)有的SMT生產(chǎn)線，制作樣件，然后借助合作單位設(shè)備進(jìn)行熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，通過X射線檢查和金相切片來驗(yàn)證焊點(diǎn)可靠性，分析無鉛焊點(diǎn)失效機(jī)理。

【關(guān)鍵詞】SMT;無鉛焊點(diǎn);應(yīng)用

元器件與印制電路板之間主要是通過焊點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的，焊點(diǎn)的可靠性直接關(guān)系到SMT產(chǎn)品的使用壽命。目前在失效的微電子產(chǎn)品中，焊點(diǎn)失效是主要原因。無鉛焊點(diǎn)的失效一方面來源于生產(chǎn)裝配工序中的焊接故障。隨著無鉛要求焊接溫度的增加，對(duì)生產(chǎn)工藝控制要求越來越嚴(yán)格，少有疏忽焊接缺陷就會(huì)增加。

電子裝聯(lián)的可制造性設(shè)計(jì)是一個(gè)全新的設(shè)計(jì)理念，主要解決電路設(shè)計(jì)和工藝制造之間的接口問題，也就是如何使電路設(shè)計(jì)具有可制造性，特別是在產(chǎn)品已成為商品的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，從某種意義上來講“設(shè)計(jì)要為制造而設(shè)計(jì)”，強(qiáng)化了電子裝聯(lián)的可制造性。電子裝聯(lián)的可制造性設(shè)計(jì)不單純的局限于印刷電路板組裝件，包含了很多領(lǐng)域的東西。

電子產(chǎn)品的裝配與機(jī)械產(chǎn)品的裝配有著顯著的區(qū)別 ：一方面電子產(chǎn)品 的結(jié)構(gòu) 較機(jī)械產(chǎn)品 的結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 ， 更多地表現(xiàn)為元器件的裝配;另一方面電子裝配作業(yè) 的自動(dòng)化程度明顯高于機(jī)械產(chǎn)品裝配。這方面以印制 電路板裝配為代表， 由于通孔插裝技術(shù)尤其是表面貼裝技術(shù)的應(yīng)用， 大部分裝配工序都 可以由機(jī)器完成 ， 大幅度提高了裝配作業(yè)的自動(dòng)化水平。

在電子產(chǎn)品裝配過程中，焊點(diǎn)的開路、短路、橋接、未焊以及元件丟失等缺陷可以通過電氣測(cè)試的方法進(jìn)行檢測(cè)，而少錫、未對(duì)準(zhǔn)、空洞等缺陷雖然可通過自動(dòng)光學(xué)檢查（AOI）、自動(dòng) X 射線測(cè)試（AXI）這些覆蓋率比較高的方法來監(jiān)測(cè)，但由于目前對(duì)裝配在印制電路板上的元器件（如 BGA）還沒有統(tǒng)一的接收標(biāo)準(zhǔn)，再加上大批量生產(chǎn)中對(duì)所有焊點(diǎn)都進(jìn)行 AXI 檢查還存在瓶頸問題（無法檢測(cè)虛焊），因而這些隱蔽性比較強(qiáng)的缺陷，成為威脅電子產(chǎn)品可靠性的主要原因。比如當(dāng)焊點(diǎn)內(nèi)出現(xiàn)空洞時(shí)，空洞會(huì)引起應(yīng)力集中，并改變焊點(diǎn)內(nèi)部的應(yīng)力分布，從而改變使用過程中焊點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的大小和分布狀態(tài)，最終影響焊點(diǎn)的熱疲勞壽命。

另一方面失效原因是在元件服役過程中通斷電或環(huán)境溫度變化時(shí)，由于焊點(diǎn)和印制電路板、器件基底材料之間的熱膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致的交變熱應(yīng)力，產(chǎn)生了焊點(diǎn)的塑性應(yīng)變，另外器件各組成部分膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形而施加給焊點(diǎn)變化的應(yīng)力，應(yīng)力逐漸累積，導(dǎo)致結(jié)合面裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展，焊點(diǎn)失效。還有是在使用過程中，由于不可避免的沖擊、振動(dòng)等造成焊點(diǎn)的機(jī)械損傷。另外在熱循環(huán)、振動(dòng)和沖擊等外界環(huán)境綜合工況作用下，連接器件與PCB的焊點(diǎn)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生周期性變化的彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變或蠕變，這些應(yīng)力應(yīng)變的逐漸積累使得焊點(diǎn)慢慢失效。焊點(diǎn)在實(shí)際工作過程中的失效過程一般為：應(yīng)力應(yīng)變導(dǎo)致變形→在薄弱區(qū)域裂紋萌生→沿著界面裂紋擴(kuò)展→整體開裂失效。在熱循環(huán)、振動(dòng)和沖擊等外界環(huán)境因素的影響下，焊點(diǎn)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生近似周期性的應(yīng)力應(yīng)變，從而誘發(fā)裂紋的形成與擴(kuò)大，最終使得焊點(diǎn)的失效。一般情況下，焊點(diǎn)失效均在焊點(diǎn)與 IC 芯片的金屬化焊盤接合面，或與 PCB 焊盤結(jié)合面區(qū)域產(chǎn)生。研究表明，焊點(diǎn)與IC 芯片的金屬化焊盤接合面產(chǎn)生失效的情況占更大比例。

人們對(duì)電子產(chǎn)品追求微型化、薄型化、更高性能等要求永無止境，現(xiàn)有裝聯(lián)工藝技術(shù)終極發(fā)展對(duì)此有些無能為力，未來 電子元?dú)饧⒎庋b、安裝等產(chǎn)業(yè)將發(fā)生重大變革，將由芯片封裝安裝→再到整機(jī)的由前決定后的垂直生產(chǎn)鏈體系，轉(zhuǎn) 變?yōu)榍昂蟊舜酥萍s的平行生產(chǎn)鏈體系， 工藝技術(shù)路線也必將 作出重大調(diào)整，以適應(yīng)生產(chǎn)鏈的變革;PCB、封裝和器件將融 合成一體，傳統(tǒng)的使用機(jī)械鑿刻（通過化學(xué)反應(yīng)）最終達(dá)到非 常小尺度的工具不再有優(yōu)勢(shì)。 電子裝聯(lián)工藝技術(shù)逐漸放棄以 往的工具、技術(shù)和模型，最終將沿著分子生物學(xué)的線索走向分子水平。

人們不斷要求電子設(shè)備輕薄短小、高性能、高功能，使得超小型便攜電子設(shè)備的需求急速增加，微組裝技術(shù)應(yīng)此而生。 微組裝技術(shù)是在高密度多層互連基板上， 用微型焊接和封裝 工藝把構(gòu)成電子電路的各種微型元器件 （集成電路芯片及片 式元件）組裝起來，形成高密度、高速度、高可靠、立體結(jié)構(gòu)的 微電子產(chǎn)品（組件、部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)）的綜合性高技術(shù)。 微組 裝技術(shù)作為一種綜合性高技術(shù)，它涉及到物理學(xué)、化學(xué)、機(jī)械 學(xué)、光學(xué)及材料等諸多學(xué)科，集中了半導(dǎo)體 IC 制造技術(shù)、無源 元件制造技術(shù)、電路基板制造技術(shù)、材料加工技術(shù)以及自動(dòng)化 控制等技術(shù)。 隨著高密度封裝的廣泛使用，促使電子裝聯(lián)技術(shù) 從設(shè)備到工藝都將向著適應(yīng)精細(xì)化組裝的要求發(fā)展。

基于現(xiàn)有的 SMT 生產(chǎn)線，制作含有 BGA 器件的無鉛軍用電子模塊樣件，并通過 5DX-RayX 射線檢查儀，檢測(cè)出 BGA 無鉛焊點(diǎn)質(zhì)量符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。借助合作單位設(shè)備對(duì)電子模塊進(jìn)行熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，通過金相切片來驗(yàn)證了在可靠性實(shí)驗(yàn)后焊點(diǎn)情況依然良好，并未出現(xiàn)失效，為軍用電子產(chǎn)品中無鉛制程的使用提供了相關(guān)可 SMT 工藝和可靠性證據(jù)。

基于三維對(duì)角切條 BGA 無鉛焊點(diǎn)可靠性分析模型，對(duì)熱循環(huán)加載條件下的力學(xué)行為進(jìn)行了有限元分析與熱疲勞壽命預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：不同釬料合金、不同焊盤尺寸及不同網(wǎng)板尺寸下焊點(diǎn)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變分布情況基本一致，高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域分布相同。對(duì)于 BGA 封裝焊點(diǎn)，處于離 BGA 器件中心最遠(yuǎn)的焊球與器件金屬化端接合面外邊緣處的應(yīng)力應(yīng)變最大，焊點(diǎn)的疲勞裂紋將首先在這一區(qū)域產(chǎn)生和擴(kuò)展，然后沿著焊點(diǎn)與器件金屬化端接合面發(fā)展，最終擴(kuò)展到整個(gè)接合面，導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。不同的釬料有不同的適用場(chǎng)合，在不同場(chǎng)合選擇合適的無鉛釬料，可以使焊點(diǎn)的可靠性得到提高。焊盤尺寸設(shè)計(jì)對(duì)無鉛焊點(diǎn)可靠性有著顯著影響，在設(shè)計(jì)尺寸范圍內(nèi)，焊盤尺寸設(shè)計(jì)越大，焊點(diǎn)承受應(yīng)力越小，塑性形變?cè)叫。趬勖介L(zhǎng)，焊點(diǎn)越可靠。網(wǎng)板開口尺寸設(shè)計(jì)對(duì)無鉛焊點(diǎn)可靠性影響較小，但隨著網(wǎng)板尺寸加大，焊球體積增加，疲勞壽命有上升趨勢(shì)。

隨機(jī)振動(dòng)加載條件下 BGA 陣列焊點(diǎn)內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變分布是不均勻的，不同釬料合金、不同焊盤尺寸及網(wǎng)板開口大小下焊點(diǎn)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變分布情況相同，高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域分布完全一致。BGA 陣列離中心最遠(yuǎn)的兩端焊點(diǎn)為應(yīng)力應(yīng)變最大焊點(diǎn)，即最容易失效的焊點(diǎn)，焊點(diǎn)與 IC 器件焊盤接合面的外端邊緣部分為應(yīng)力應(yīng)變最大區(qū)域，是最容易產(chǎn)生疲勞失效的薄弱環(huán)節(jié)，也是焊點(diǎn)內(nèi)部裂紋最容易萌生的位置。焊盤半徑變化對(duì)無鉛焊點(diǎn)可靠性有著顯著的影響，焊點(diǎn)疲勞壽命隨著焊盤半徑增加而增加。網(wǎng)板開口尺寸變化對(duì)無鉛焊點(diǎn)疲勞有一定影響，隨著網(wǎng)板開口尺寸增大，釬料體積增大，焊點(diǎn)疲勞壽命增加，但影響遠(yuǎn)小于焊盤尺寸改變對(duì)焊點(diǎn)疲勞壽命的影響。所以，在可保證焊接質(zhì)量情況下，適當(dāng)增大焊盤和網(wǎng)板開口尺寸，可提高焊點(diǎn)的疲勞壽命。

單純地利用線性迭加規(guī)則并不能真實(shí)估計(jì)焊點(diǎn)的疲勞失效，通過獨(dú)立的分析，再利用Miner ′s 規(guī)則計(jì)算累積損傷，會(huì)相當(dāng)程度地低估總累積操作。如何建立一種真實(shí)反映電子設(shè)備服役條件下疲勞壽命預(yù)測(cè)模型是后續(xù)研究的重點(diǎn);對(duì)無鉛焊點(diǎn)有限元預(yù)測(cè)模型需進(jìn)一步完善，對(duì)每種不同的軍用電子模塊、不同材料、及不同封裝類型焊點(diǎn)，建立符合實(shí)際產(chǎn)品的整體有限元模型，可以進(jìn)一補(bǔ)提高提高可靠性預(yù)測(cè)精度。

參考文獻(xiàn)

[1]韓永典等.Sn-Ag-Cu 無鉛焊料的可靠性研究[J].電子與封裝.2007，7

[2]楊建生.焊盤尺寸對(duì) FC-PBGA 焊點(diǎn)可靠性的影響[J].電子與封裝.2009，9