微连接课件第6章可靠性评价20091202

1、1微微电子封装与组装焊点的电子封装与组装焊点的可靠性与测试可靠性与测试材料成型与控制系材料成型与控制系2第六章第六章 焊点可靠性与寿命预测焊点可靠性与寿命预测3 焊点可靠性研究必要性：焊点可靠性研究必要性： 1 1）元器件制造与组装技术的发展）元器件制造与组装技术的发展 19621962年日本年日本CBGACBGA（Ceramic Ball Grid ArrayCeramic Ball Grid Array） 19661966年美国年美国RCARCA公司片式电阻、电容公司片式电阻、电容 19911991年年MotorolaMotorola公司推出公司推出PBGAPBGA（Plastic Bal

2、l Grid ArrayPlastic Ball Grid Array） 19711971年年PhilipsPhilips公司推出公司推出SMTSMT（Surface Mount TechnologySurface Mount Technology） 概念，引发电子装联技术的革命；概念，引发电子装联技术的革命； 2 2）通孔插装）通孔插装THTTHT（Through Hole TechnologyThrough Hole Technology）表面组装技术表面组装技术 的过渡的同时，带来焊点可靠性问题。的过渡的同时，带来焊点可靠性问题。 1.1.引言引言4THTTHT、SMTSMT焊点的结构特

3、征焊点的结构特征5BGA焊点的结构特征焊点的结构特征63 3）电子产品向微型化和多功能化方向的发展）电子产品向微型化和多功能化方向的发展 由四边封装向面阵列封装过渡，由四边封装向面阵列封装过渡，FCFC、BGABGA、CSPCSP封装元器件的封装元器件的 外引线节距由最初的外引线节距由最初的1.27mm1.27mm不断减小至新一代封装形式的不断减小至新一代封装形式的 0.2-0.3mm0.2-0.3mm或更小；或更小； 微连接焊点的体积也相应伴随着由常规毫米数量级（微连接焊点的体积也相应伴随着由常规毫米数量级（mmmm）减）减 小至微米数量级（小至微米数量级（mm）。）。4 4）无铅化电子组装

4、使焊点可靠性面临考验（润湿性、服役条件）无铅化电子组装使焊点可靠性面临考验（润湿性、服役条件 下的可靠性）下的可靠性）7无铅焊料与无铅焊料与63Sn-37Pb63Sn-37Pb焊料润湿角的比较焊料润湿角的比较 8电子产品的服役温度范围及焊点寿命要求电子产品的服役温度范围及焊点寿命要求5 5）航空航天和军用电子产品的使用环境条件苛刻）航空航天和军用电子产品的使用环境条件苛刻9焊点可靠性内容：焊点可靠性内容： 1 1）封装与组装过程中焊点的形成及质量：）封装与组装过程中焊点的形成及质量： 被连接材料之间的相互作用（溶解、扩散）、及界面结合被连接材料之间的相互作用（溶解、扩散）、及界面结合 层的形成

5、、焊点缺陷等（层的形成、焊点缺陷等（4 4章）章） 2 2）焊点在服役条件下的可靠性：）焊点在服役条件下的可靠性： 焊点在热、机械加载条件下的力学性能、应力应变过程、焊点在热、机械加载条件下的力学性能、应力应变过程、 蠕变疲劳寿命等蠕变疲劳寿命等10微连接焊点承载特点：微连接焊点承载特点： 1 1）服役条件下振动、外力载荷较小）服役条件下振动、外力载荷较小 2 2）主要承受热循环载荷（环境变化的温度循环与功率循环）主要承受热循环载荷（环境变化的温度循环与功率循环） 封装材料的封装材料的CTECTE差别差别焊点内部热应力应变循环（同焊点内部热应力应变循环（同 时引发组织变化）时引发组织变化）焊点

6、裂纹的萌生与扩展焊点裂纹的萌生与扩展电信号传电信号传 输失效输失效 微连接焊点功能：微连接焊点功能： 1 1）电信号传输）电信号传输* * * 2 2）机械连接与支撑）机械连接与支撑112.2.焊点机械性能测试与研究焊点机械性能测试与研究焊点机械性能测试：焊点机械性能测试： 是塑性破坏过程，一般不能直接反映焊点的可靠性；但机械性是塑性破坏过程，一般不能直接反映焊点的可靠性；但机械性 能测试是一种快捷、费用相对较低的评价焊点强度的方法；能测试是一种快捷、费用相对较低的评价焊点强度的方法； 能定性的反映焊点的优劣。能定性的反映焊点的优劣。焊点可靠性的热循环试验：焊点可靠性的热循环试验： 在评价焊点

7、可靠性中多采用热循环试验，其失效机制与实际服在评价焊点可靠性中多采用热循环试验，其失效机制与实际服 役条件下焊点的失效机制一致，即焊点失效是在热循环过程中役条件下焊点的失效机制一致，即焊点失效是在热循环过程中 钎料的应变损伤累积所致的低周蠕变疲劳失效，能直接反映焊钎料的应变损伤累积所致的低周蠕变疲劳失效，能直接反映焊 点的可靠性点的可靠性12热变形失效：是指由于环境温度的变化或工作期间系统内部热效热变形失效：是指由于环境温度的变化或工作期间系统内部热效 应引起的热应力和应变导致器件变形失效。应引起的热应力和应变导致器件变形失效。热失效主要包括热疲劳断裂、脆性断裂、蠕变断裂、分层失效和热失效主要

8、包括热疲劳断裂、脆性断裂、蠕变断裂、分层失效和塑性形变失效等塑性形变失效等热应力：其产生是由于材料的热应力：其产生是由于材料的CTECTE不匹配、系统内部的温度梯度不匹配、系统内部的温度梯度 和几何位置的限制引起的。和几何位置的限制引起的。 3. 3. 焊点可靠性评价热变形失效焊点可靠性评价热变形失效13热应变：热应变：a a）假设芯片与基板焊在一起时）假设芯片与基板焊在一起时 无热应变；无热应变；b b）一个温度循环焊点）一个温度循环焊点切应变：切应变： /hL（bC ） （TMAXTMIN）/h h为焊点高度；为焊点高度； L L焊点到中性点间距焊点到中性点间距结论：最大热应变发生在芯片周

9、边结论：最大热应变发生在芯片周边 的焊点上的焊点上14为封装材料间的热膨胀失配导致钎料的为封装材料间的热膨胀失配导致钎料的应变损伤累积应变损伤累积所致的低所致的低周蠕变疲劳失效，能直接反映焊点的可靠性周蠕变疲劳失效，能直接反映焊点的可靠性3.1 微连接焊点的热疲劳失效微连接焊点的热疲劳失效实质：实质：常见疲劳失效的预测模型常见疲劳失效的预测模型依照不同的破坏信息，可将寿命预测模型分成主要五类依照不同的破坏信息，可将寿命预测模型分成主要五类: :以应力为以应力为基础、以塑性变形为基础、以蠕变变形为基础、以能量为基础、基础、以塑性变形为基础、以蠕变变形为基础、以能量为基础、以断裂参量为基础的模型以

10、断裂参量为基础的模型。 而以蠕变变形为基础的模型则是考虑与时间相关的效应；以能量而以蠕变变形为基础的模型则是考虑与时间相关的效应；以能量为基础的寿命模型为一较新的模型，其考虑到应力与应变的迟滞为基础的寿命模型为一较新的模型，其考虑到应力与应变的迟滞能量；以断裂参量为基础的破坏理论是以断裂力学为基础，计算能量；以断裂参量为基础的破坏理论是以断裂力学为基础，计算裂纹的扩展，累积其过程所造成的破坏效应。裂纹的扩展，累积其过程所造成的破坏效应。15a）塑性应变的）塑性应变的CoffinManson疲劳模型：疲劳模型： 以塑性变形为基础的寿命预测模型（以塑性变形范围决定以塑性变形为基础的寿命预测模型（以

11、塑性变形范围决定 疲劳寿命）主要着重于疲劳寿命）主要着重于与时间无关与时间无关的塑性效应；的塑性效应；式中，为塑性应变范围（对于焊点可以是非弹性剪应变范围）；式中，为塑性应变范围（对于焊点可以是非弹性剪应变范围）；为疲劳系数；为疲劳系数；N Nf f为失效循环数；为失效循环数；C C为疲劳指数。为疲劳指数。当使用当使用Coffin-MansonCoffin-Manson寿命预测模型预测组件寿命时，需确定寿命预测模型预测组件寿命时，需确定组件的破坏主要由于塑性变形，而弹性变形的影响小到几乎组件的破坏主要由于塑性变形，而弹性变形的影响小到几乎可忽略。可忽略。 CffP)2N(216b）蠕变应变为基

12、础的疲劳模型蠕变应变为基础的疲劳模型蠕变的机制相当复杂，因影响因素非常多，至今仍无模型能完全蠕变的机制相当复杂，因影响因素非常多，至今仍无模型能完全 预测其整个过程。预测其整个过程。蠕变可分成两个机制蠕变可分成两个机制: :幂级蠕变和颗粒边界滑移蠕变。幂级蠕变和颗粒边界滑移蠕变。KnechtKnecht及及FoxFox所提出的寿命预测模型能针对幂级蠕变进行预测所提出的寿命预测模型能针对幂级蠕变进行预测: :mcfCN式中：为疲劳失效循环数；为幂级蠕变引起的应变范围；式中：为疲劳失效循环数；为幂级蠕变引起的应变范围； C C为失效参数。为失效参数。17以能量为基础的寿命预测模型，主要考虑利用迟滞

13、能量来预测以能量为基础的寿命预测模型，主要考虑利用迟滞能量来预测产品的寿命。其大致可分为两类产品的寿命。其大致可分为两类: (1): (1)直接预测产品的失效循直接预测产品的失效循环数环数;(2);(2)先预测其裂纹开始发生的循环数，再利用断裂力学方先预测其裂纹开始发生的循环数，再利用断裂力学方法预测裂纹的扩展速率，推出裂纹扩展至区域完全破坏的时间，法预测裂纹的扩展速率，推出裂纹扩展至区域完全破坏的时间，将两者结合起来即得到组件破坏的循环数。将两者结合起来即得到组件破坏的循环数。C）以能量为基础的疲劳模型以能量为基础的疲劳模型18AkayAkay所提出模型，此模型多用来预测有导线架形式的封所提

14、出模型，此模型多用来预测有导线架形式的封装，至今仍没有被用来预测装，至今仍没有被用来预测BGABGA形式的封装形式的封装. .k/10totalf)WW(N式中式中: : 为平均失效循环数；为平均失效循环数；为为总的应变能密度总的应变能密度；为疲劳系数；为疲劳系数；K K为疲劳指数。为疲劳指数。19另一以能量为基础，考虑弹性及蠕变效应的模型是由另一以能量为基础，考虑弹性及蠕变效应的模型是由LiangLiang等所提出的，且提出时主要针对等所提出的，且提出时主要针对BGABGA的封装形式，其中的封装形式，其中C C、 m m可可由低周疲劳测试而得到。由低周疲劳测试而得到。mssf)W(CN式中：

15、为应力应变迟滞能量密度；式中：为应力应变迟滞能量密度；C C为温度相关的材料常数；为温度相关的材料常数；m m为温度相关的材料常数。为温度相关的材料常数。20针对针对BGA/CSPBGA/CSP封装，封装，DarveauxDarveaux提出了如下三个寿命预测方程式，提出了如下三个寿命预测方程式，目前被广泛应用于新型芯片封装的寿命预测中。目前被广泛应用于新型芯片封装的寿命预测中。2kave10)W(kN4kave3)W(kdNdadN/daaNN0f式中：为相关系数；式中：为相关系数； 为初始裂纹的循环数；为初始裂纹的循环数；a a为断裂特征长度为断裂特征长度 为裂纹扩展率；为体积均化的粘塑性

16、应变能密度增量；为裂纹扩展率；为体积均化的粘塑性应变能密度增量； 为特征寿命为特征寿命( (失效概率为失效概率为63.2%63.2%的循环数的循环数) )。21d d）以断裂参量为基础的预测模型以断裂参量为基础的预测模型由于焊点失效归根到底是钎料焊点的疲劳裂纹萌生和扩展过由于焊点失效归根到底是钎料焊点的疲劳裂纹萌生和扩展过程。因此，基于断裂力学方法研究钎料焊点的裂纹萌生和扩展程。因此，基于断裂力学方法研究钎料焊点的裂纹萌生和扩展过程来评估焊点的可靠性是一种重要的方法。过程来评估焊点的可靠性是一种重要的方法。目前通常采用经验方程目前通常采用经验方程( (如幂指数型函数形式如幂指数型函数形式) )

17、描述裂纹扩展描述裂纹扩展速率速率(da/dN)(da/dN)与力学控制参量与力学控制参量( (或范围或范围) )的关系式的关系式: :m)H(CdNda式中，式中，a a是裂纹长度，是裂纹长度，N N是循环次数，是控制裂纹扩展速率的力是循环次数，是控制裂纹扩展速率的力学参量学参量( (经验参数经验参数) )，C C与与m m是材料参数，是材料参数，H H应力强度因子。应力强度因子。22预测失效循环数的预测失效循环数的主控力学参量主控力学参量主要由有限元素分析主要由有限元素分析FEA)FEA)所得，如所得，如塑性变形、蠕变变形、变形能量塑性变形、蠕变变形、变形能量，而该分析又与组，而该分析又与组

18、件的件的几何模型与材料参数几何模型与材料参数有相当大的关系，因此使用寿命预有相当大的关系，因此使用寿命预测模型预测组件循环数时，对结果影响最大的是几何模型与测模型预测组件循环数时，对结果影响最大的是几何模型与材料参数。材料参数。234 4） 寿命预测的分析过程寿命预测的分析过程通过有限元模拟方法对封装进行寿命预测，主要包含三大步骤通过有限元模拟方法对封装进行寿命预测，主要包含三大步骤: :1 1）试验获得材料热物理性能参数及力学性能参数，包括应力应）试验获得材料热物理性能参数及力学性能参数，包括应力应 变关系方程；变关系方程；2 2）采用）采用ANSYSANSYS或或MARCMARC有限元软件

19、模拟求解特定结构和载荷有限元软件模拟求解特定结构和载荷（如热（如热 循环载荷）循环载荷）条件下的条件下的主控力学参量（应力、应变、主控力学参量（应力、应变、累积的蠕累积的蠕 变应累积的应变能密度等变应累积的应变能密度等等等；其中步骤；其中步骤1 1）的结果作为材料特）的结果作为材料特 性导入有限元计算中）性导入有限元计算中） 3 3）选择寿命预测模型，代入主控力学参量进行寿命预分析过程）选择寿命预测模型，代入主控力学参量进行寿命预分析过程 243.2 3.2 脆性断裂失效：脆性断裂失效：1 1）脆性断裂脆性断裂当作用在器件上的应力超过断裂极限时，器件易发生脆性断裂，当作用在器件上的应力超过断裂

20、极限时，器件易发生脆性断裂，并且断裂前无明显的征兆；并且断裂前无明显的征兆；一般脆性材料中易发生，如陶瓷（基板）、玻璃、硅（芯片），一般脆性材料中易发生，如陶瓷（基板）、玻璃、硅（芯片），这些材料几乎没有任何塑性变形，而且吸收能量的能力很小这些材料几乎没有任何塑性变形，而且吸收能量的能力很小图图5.85.825脆性失效标准：脆性失效标准：对脆性材料来说，一般用最大主应力作为判断失效标准对脆性材料来说，一般用最大主应力作为判断失效标准2)2)脆性断裂的预测理论：脆性断裂的预测理论：当施加在器件上的应力和功足以破坏原子键时，材料将出现断裂，当施加在器件上的应力和功足以破坏原子键时，材料将出现断裂，

21、键的强度由原子之间的引力决定；键的强度由原子之间的引力决定；利用原子键的强度可以得到断裂时所需要的应力（断裂强度）：利用原子键的强度可以得到断裂时所需要的应力（断裂强度）： C CE/E/E E为弹性材料的杨氏模量为弹性材料的杨氏模量26但试验得到的强度要比公式计算的结果小但试验得到的强度要比公式计算的结果小3 34 4个数量级；个数量级；英国物理学家格里菲斯（英国物理学家格里菲斯（A.A.GriffithA.A.Griffith）认为这是因为材料本）认为这是因为材料本身已存在裂纹，导致强度显著降低，缺陷迅速的传播和扩展导身已存在裂纹，导致强度显著降低，缺陷迅速的传播和扩展导致材料脆性断裂；致

22、材料脆性断裂；硅芯片一般是在有初始裂纹和划痕的位置断裂硅芯片一般是在有初始裂纹和划痕的位置断裂273)3)边缘裂纹缺陷模型：边缘裂纹缺陷模型：由线弹性断裂力学（由线弹性断裂力学（LEFMLEFM）可知，由载荷引起的应力强度因子）可知，由载荷引起的应力强度因子（SIFSIF）达到材料的断裂韧度时，就会发生断裂：）达到材料的断裂韧度时，就会发生断裂： K K（，a,a,几何尺寸）几何尺寸）K KICIC为施加的应力，为施加的应力，a a 为缺陷的特征尺寸，为缺陷的特征尺寸，K KICIC是与器件的尺寸和是与器件的尺寸和几何形状无关的材料属性几何形状无关的材料属性将芯片中心部位的裂纹简化为无限大平面

23、上浅裂纹模型来近似，将芯片中心部位的裂纹简化为无限大平面上浅裂纹模型来近似，且载荷相对裂纹距离很远，则：且载荷相对裂纹距离很远，则： K K1.12 1.12 （a)a)(1/2)(1/2)28引起芯片断裂的临界裂纹为：引起芯片断裂的临界裂纹为：a aMAXMAX=K=KICIC2 2/(1.254/(1.254MAXMAX2 2）MAXMAX为芯片冷却以后表面的最大张应力为芯片冷却以后表面的最大张应力294 4）减少脆性断裂失效的设计准则）减少脆性断裂失效的设计准则避免应力过大，设计时充分考虑材料加工环境，尽可能减小脆避免应力过大，设计时充分考虑材料加工环境，尽可能减小脆性材料中的残余应力；

24、性材料中的残余应力；脆性材料的断裂韧度随表面的裂纹和缺陷的增多而降低，因此，脆性材料的断裂韧度随表面的裂纹和缺陷的增多而降低，因此，在封装和使用前，将器件的表面抛光以减小表面的缺陷和划痕，在封装和使用前，将器件的表面抛光以减小表面的缺陷和划痕，提高器件的可靠性。提高器件的可靠性。303.3 3.3 蠕变失效蠕变失效 蠕变现象：蠕变由热效应引起，在一定应力作用下，应变随温蠕变现象：蠕变由热效应引起，在一定应力作用下，应变随温 度和时间的增加而显著增加度和时间的增加而显著增加高温或者相对温度值大于高温或者相对温度值大于0.50.5时，蠕变效应非常显著时，蠕变效应非常显著相对温度相对温度(homol

25、ogous temperature(homologous temperature，也有译作约比温度）为工，也有译作约比温度）为工作温度与材料熔点的绝对温度的比值）作温度与材料熔点的绝对温度的比值）蠕变可以发生在任何应力范围，可以高于或低于屈服应力值蠕变可以发生在任何应力范围，可以高于或低于屈服应力值；31初始阶段（减速蠕变）：随时间增加，蠕变速率迅速减小；初始阶段（减速蠕变）：随时间增加，蠕变速率迅速减小；恒速（稳态）蠕变阶段：蠕变速度只有一个很小的降低，几乎唯一恒速（稳态）蠕变阶段：蠕变速度只有一个很小的降低，几乎唯一 个常数；个常数；加速蠕变阶段：蠕变速率迅速增加；加速蠕变阶段：蠕变速率迅

26、速增加；设计时，一般使器件工作在稳态蠕变阶段，此时器件寿命最长。设计时，一般使器件工作在稳态蠕变阶段，此时器件寿命最长。32金属的蠕变机理很复杂，涉及到很多因素。从实际应用角度出发，金属的蠕变机理很复杂，涉及到很多因素。从实际应用角度出发， 一般采用如下的简化稳态蠕变本构方程一般采用如下的简化稳态蠕变本构方程(Constitutive Model for (Constitutive Model for Steady-state Creep)Steady-state Creep)来描述焊料合金的蠕变行为：来描述焊料合金的蠕变行为：mbnA其中为应变速率，其中为应变速率，A A和和b b为材料常数

27、，为材料常数，m m为应变速率敏感指数，为应变速率敏感指数，n n为应力指数。一般情况下为应力指数。一般情况下m m和和n n互为倒数。互为倒数。 33如果进一步考虑温度的影响如果进一步考虑温度的影响( (因为焊料合金的力学响应都是温度因为焊料合金的力学响应都是温度相关的相关的) )，上述方程可进一步演变为：，上述方程可进一步演变为：NortonNorton方程：方程：kTQ-expAnkTQexpTAn其中：其中：Q Q为激活能，为激活能，T T为温度，为温度，k k为为BoltzmannBoltzmann常数，常数， A A、n n分别为蠕变系数和蠕变指数，分别为蠕变系数和蠕变指数，为应力

28、为应力或或DornDorn方程：方程：34钎料焊点的服役特点（与钢材不同）：钎料焊点的服役特点（与钢材不同）：SnPbSnPb钎料的熔点钎料的熔点TmTm456K456K，服役条件的工作温度按，服役条件的工作温度按50 50 至至7070（223K223K至至343K)343K)计算，工作温度约为计算，工作温度约为0.50.50.75Tm0.75Tm；Sn0.7CuSn0.7Cu钎料的熔点钎料的熔点TmTm500K500K，服役条件的工作温度按，服役条件的工作温度按50 50 至至7070（223K223K至至343K)343K)计算，工作温度约为计算，工作温度约为0.450.450.7Tm0

29、.7Tm；在这样相对较高的温度范围内，钎料的蠕变和应力松弛现象显著，在这样相对较高的温度范围内，钎料的蠕变和应力松弛现象显著，与时间（速率）有关的蠕变损伤是焊点失效的重要机制与时间（速率）有关的蠕变损伤是焊点失效的重要机制35结论：蠕变速率随着载荷应力的增加、焊球温度的升高而增加结论：蠕变速率随着载荷应力的增加、焊球温度的升高而增加减小蠕变失效的设计措施：减小蠕变失效的设计措施：材料的熔点越低，越容易发生蠕变，甚至室温可发生蠕变失效；材料的熔点越低，越容易发生蠕变，甚至室温可发生蠕变失效；如汽车和国防应用中就需要选择高熔点材料，以避免蠕变失效如汽车和国防应用中就需要选择高熔点材料，以避免蠕变失

30、效减小应力；减小应力；器件在高温、高应力条件下时间越长，越容易蠕变失效；汽车和器件在高温、高应力条件下时间越长，越容易蠕变失效；汽车和航空航天器件要工作多年，蠕变设计就显得非常重要；而消费类航空航天器件要工作多年，蠕变设计就显得非常重要；而消费类的电子器件，蠕变失效就不是重要因素的电子器件，蠕变失效就不是重要因素363.4 3.4 分层失效分层失效电子器件封装中含有不同材料制成的多层板（或膜）结构，他们电子器件封装中含有不同材料制成的多层板（或膜）结构，他们连接在一起来完成特定的功能；连接在一起来完成特定的功能；分层是指粘接在一起的不同层之间出现剥离和分离，分为封装内分层是指粘接在一起的不同层

31、之间出现剥离和分离，分为封装内部发生的内部分层和材料边界处发生的边缘分层。部发生的内部分层和材料边界处发生的边缘分层。3738多层高密布线的基板上的绝缘截至和金属布线之间分层，分层沿多层高密布线的基板上的绝缘截至和金属布线之间分层，分层沿界面传播引起裂纹，导致器件的电路断路；界面传播引起裂纹，导致器件的电路断路；倒装芯片组装中分层发生在底部填料和芯片之间、底部填料和基倒装芯片组装中分层发生在底部填料和芯片之间、底部填料和基板之间，边缘分层会降低芯片和基板之间的耦合强度，从而加速板之间，边缘分层会降低芯片和基板之间的耦合强度，从而加速焊点的疲劳失效焊点的疲劳失效产生分层的原因：表面沾污、前烘不足

32、，表面仍有水汽和挥发物产生分层的原因：表面沾污、前烘不足，表面仍有水汽和挥发物、材料不均、表面粗糙，另外也可能是界面应力引起的分层、材料不均、表面粗糙，另外也可能是界面应力引起的分层39目前为止还没有预测分层的判断标准，但可以用界面的剪切和拉目前为止还没有预测分层的判断标准，但可以用界面的剪切和拉伸应力与相应的剪切和拉伸强度相比教来判断是否出现分层：伸应力与相应的剪切和拉伸强度相比教来判断是否出现分层：40焊点可靠性的影响因素焊点可靠性的影响因素 1 1）材料因素材料因素 钎料的微观结构即钎料的组织结构、晶粒尺寸决定着钎料钎料的微观结构即钎料的组织结构、晶粒尺寸决定着钎料 的变形机制、疲劳裂纹

33、扩展机制，从而对焊点的可靠性有的变形机制、疲劳裂纹扩展机制，从而对焊点的可靠性有 决定性影响。决定性影响。 a a）元素含量：）元素含量： 改变钎料中改变钎料中SnSn、PbPb的配比所对应的不同钎料合金的焊点疲的配比所对应的不同钎料合金的焊点疲 劳寿命，随着钎料中含劳寿命，随着钎料中含SnSn量的增加，焊点疲劳寿命增加量的增加，焊点疲劳寿命增加 b b）减小材料）减小材料CTECTE差值：差值： 由于元件与基板材料由于元件与基板材料CTECTE不匹配导致焊点在热循环过程中产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，生应力集中，是导致焊点裂纹的萌生与扩展

34、的本质因素， 因此，研制开发适当的基板材料，减小电子元件与基板的因此，研制开发适当的基板材料，减小电子元件与基板的 热膨胀系数差异，可抑制焊点失效。热膨胀系数差异，可抑制焊点失效。 41图1-2 不同钎料合金焊点的疲劳寿命38Fig. 1-2 Fatigue life of solder joints with different solder alloys42Thermal Expansion Coefficients of Constituent MaterialThermal Expansion Coefficients of Constituent Material 432 2）内部缺

35、陷内部缺陷对焊点的可靠性有致命的影响对焊点的可靠性有致命的影响 外观缺陷：如接头外型不良、引线间的桥接、芯吸等；外观缺陷：如接头外型不良、引线间的桥接、芯吸等； 内部缺陷，如气孔、有害金属间化合物、虚焊等。内部缺陷，如气孔、有害金属间化合物、虚焊等。 目前焊点缺陷检测方法，很难检测尺寸本来就十分微小的微目前焊点缺陷检测方法，很难检测尺寸本来就十分微小的微 互连焊点内部的微小的缺陷互连焊点内部的微小的缺陷44 不同尺寸气孔对应的焊点机械性能不同尺寸气孔对应的焊点机械性能由于气孔的存在，焊点的机械承载强度明显下降（曲线由于气孔的存在，焊点的机械承载强度明显下降（曲线1 1表示接头表示接头外边缘线上

36、的最大应力峰值的变化，曲线外边缘线上的最大应力峰值的变化，曲线2 2表示气孔周围主应力值表示气孔周围主应力值的变化）。的变化）。453)3)服役条件服役条件 环境温度环境温度： 随着温度的增加，焊点应变范围增加，失效周期数降低。随着温度的增加，焊点应变范围增加，失效周期数降低。 加载频率加载频率： 随着加载频率增加，焊点疲劳寿命降低。随着加载频率增加，焊点疲劳寿命降低。 焊点高温保温时间焊点高温保温时间： 焊点高温保温时间短，焊点内的应变恢复的多，将延长焊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。少，增加了焊点内部应变，寿命降低。46Cycles to failure versus temperature Cycles to failure versus temperature (b) Cycles to fatigue versus frequency(b) Cycles to fatigue versus frequency 加载频率及温度对焊点疲劳寿命的影响加载频率及温度对焊点疲劳寿命的影响 474) 4) 焊点形态焊点形态 焊点形态：钎料受热熔化以后，沿金属表面润