基于SMT生产的无铅焊点技术应用

展亚鸽

【摘  要】基于现有的SMT生产线，制作样件，然后借助合作单位设备进行热循环实验和随机振动实验，通过X射线检查和金相切片来验证焊点可靠性，分析无铅焊点失效机理。

【关键词】SMT;无铅焊点;应用

元器件与印制电路板之间主要是通过焊点来实现互联的，焊点的可靠性直接关系到SMT产品的使用寿命。目前在失效的微电子产品中，焊点失效是主要原因。无铅焊点的失效一方面来源于生产装配工序中的焊接故障。随着无铅要求焊接温度的增加，对生产工艺控制要求越来越严格，少有疏忽焊接缺陷就会增加。

电子装联的可制造性设计是一个全新的设计理念，主要解决电路设计和工艺制造之间的接口问题，也就是如何使电路设计具有可制造性，特别是在产品已成为商品的市场经济条件下，从某种意义上来讲“设计要为制造而设计”，强化了电子装联的可制造性。电子装联的可制造性设计不单纯的局限于印刷电路板组装件，包含了很多领域的东西。

电子产品的装配与机械产品的装配有着显著的区别 ：一方面电子产品 的结构 较机械产品 的结构 简单 ， 更多地表现为元器件的装配;另一方面电子装配作业 的自动化程度明显高于机械产品装配。这方面以印制 电路板装配为代表， 由于通孔插装技术尤其是表面贴装技术的应用， 大部分装配工序都 可以由机器完成 ， 大幅度提高了装配作业的自动化水平。

在电子产品装配过程中，焊点的开路、短路、桥接、未焊以及元件丢失等缺陷可以通过电气测试的方法进行检测，而少锡、未对准、空洞等缺陷虽然可通过自动光学检查（AOI）、自动 X 射线测试（AXI）这些覆盖率比较高的方法来监测，但由于目前对装配在印制电路板上的元器件（如 BGA）还没有统一的接收标准，再加上大批量生产中对所有焊点都进行 AXI 检查还存在瓶颈问题（无法检测虚焊），因而这些隐蔽性比较强的缺陷，成为威胁电子产品可靠性的主要原因。比如当焊点内出现空洞时，空洞会引起应力集中，并改变焊点内部的应力分布，从而改变使用过程中焊点内部应力应变的大小和分布状态，最终影响焊点的热疲劳寿命。

另一方面失效原因是在元件服役过程中通断电或环境温度变化时，由于焊点和印制电路板、器件基底材料之间的热膨胀系数不匹配而导致的交变热应力，产生了焊点的塑性应变，另外器件各组成部分膨胀系数不匹配导致结构变形而施加给焊点变化的应力，应力逐渐累积，导致结合面裂纹产生、扩展，焊点失效。还有是在使用过程中，由于不可避免的冲击、振动等造成焊点的机械损伤。另外在热循环、振动和冲击等外界环境综合工况作用下，连接器件与PCB的焊点内部会产生周期性变化的弹性应变、塑性应变或蠕变，这些应力应变的逐渐积累使得焊点慢慢失效。焊点在实际工作过程中的失效过程一般为：应力应变导致变形→在薄弱区域裂纹萌生→沿着界面裂纹扩展→整体开裂失效。在热循环、振动和冲击等外界环境因素的影响下，焊点内会产生近似周期性的應力应变，从而诱发裂纹的形成与扩大，最终使得焊点的失效。一般情况下，焊点失效均在焊点与 IC 芯片的金属化焊盘接合面，或与 PCB 焊盘结合面区域产生。研究表明，焊点与IC 芯片的金属化焊盘接合面产生失效的情况占更大比例。

人们对电子产品追求微型化、薄型化、更高性能等要求永无止境，现有装联工艺技术终极发展对此有些无能为力，未来 电子元气件、封装、安装等产业将发生重大变革，将由芯片封装安装→再到整机的由前决定后的垂直生产链体系，转 变为前后彼此制约的平行生产链体系， 工艺技术路线也必将 作出重大调整，以适应生产链的变革;PCB、封装和器件将融 合成一体，传统的使用机械凿刻（通过化学反应）最终达到非 常小尺度的工具不再有优势。 电子装联工艺技术逐渐放弃以 往的工具、技术和模型，最终将沿着分子生物学的线索走向分子水平。

人们不断要求电子设备轻薄短小、高性能、高功能，使得超小型便携电子设备的需求急速增加，微组装技术应此而生。 微组装技术是在高密度多层互连基板上， 用微型焊接和封装 工艺把构成电子电路的各种微型元器件 （集成电路芯片及片 式元件）组装起来，形成高密度、高速度、高可靠、立体结构的 微电子产品（组件、部件、子系统、系统）的综合性高技术。 微组 装技术作为一种综合性高技术，它涉及到物理学、化学、机械 学、光学及材料等诸多学科，集中了半导体 IC 制造技术、无源 元件制造技术、电路基板制造技术、材料加工技术以及自动化 控制等技术。 随着高密度封装的广泛使用，促使电子装联技术 从设备到工艺都将向着适应精细化组装的要求发展。

基于现有的 SMT 生产线，制作含有 BGA 器件的无铅军用电子模块样件，并通过 5DX-RayX 射线检查仪，检测出 BGA 无铅焊点质量符合检验标准。借助合作单位设备对电子模块进行热循环实验和随机振动实验，通过金相切片来验证了在可靠性实验后焊点情况依然良好，并未出现失效，为军用电子产品中无铅制程的使用提供了相关可 SMT 工艺和可靠性证据。

基于三维对角切条 BGA 无铅焊点可靠性分析模型，对热循环加载条件下的力学行为进行了有限元分析与热疲劳寿命预测。结果表明：不同钎料合金、不同焊盘尺寸及不同网板尺寸下焊点内的应力应变分布情况基本一致，高应力应变区域分布相同。对于 BGA 封装焊点，处于离 BGA 器件中心最远的焊球与器件金属化端接合面外边缘处的应力应变最大，焊点的疲劳裂纹将首先在这一区域产生和扩展，然后沿着焊点与器件金属化端接合面发展，最终扩展到整个接合面，导致焊点失效。不同的钎料有不同的适用场合，在不同场合选择合适的无铅钎料，可以使焊点的可靠性得到提高。焊盘尺寸设计对无铅焊点可靠性有着显著影响，在设计尺寸范围内，焊盘尺寸设计越大，焊点承受应力越小，塑性形变越小，疲劳寿命越长，焊点越可靠。网板开口尺寸设计对无铅焊点可靠性影响较小，但随着网板尺寸加大，焊球体积增加，疲劳寿命有上升趋势。

随机振动加载条件下 BGA 阵列焊点内应力应变分布是不均匀的，不同钎料合金、不同焊盘尺寸及网板开口大小下焊点内的应力应变分布情况相同，高应力应变区域分布完全一致。BGA 阵列离中心最远的两端焊点为应力应变最大焊点，即最容易失效的焊点，焊点与 IC 器件焊盘接合面的外端边缘部分为应力应变最大区域，是最容易产生疲劳失效的薄弱环节，也是焊点内部裂纹最容易萌生的位置。焊盘半径变化对无铅焊点可靠性有着显著的影响，焊点疲劳寿命随着焊盘半径增加而增加。网板开口尺寸变化对无铅焊点疲劳有一定影响，随着网板开口尺寸增大，钎料体积增大，焊点疲劳寿命增加，但影响远小于焊盘尺寸改变对焊点疲劳寿命的影响。所以，在可保证焊接质量情况下，适当增大焊盘和网板开口尺寸，可提高焊点的疲劳寿命。

单纯地利用线性迭加规则并不能真实估计焊点的疲劳失效，通过独立的分析，再利用Miner ′s 规则计算累积损伤，会相当程度地低估总累积操作。如何建立一种真实反映电子设备服役条件下疲劳寿命预测模型是后续研究的重点;对无铅焊点有限元预测模型需进一步完善，对每种不同的军用电子模块、不同材料、及不同封装类型焊点，建立符合实际产品的整体有限元模型，可以进一补提高提高可靠性预测精度。

参考文献

[1]韩永典等.Sn-Ag-Cu 无铅焊料的可靠性研究[J].电子与封装.2007，7

[2]杨建生.焊盘尺寸对 FC-PBGA 焊点可靠性的影响[J].电子与封装.2009，9