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[摘要]拟通过对QFP焊点的抗拉强度的影响因素，PBGA焊点的质量检测及强度测试，CBGA焊点的可靠性进行较为系统、深入的研究，为焊点寿命预测提供研究数据支持和理论基础以及具有实用性的评价方法。
[关键词]SMT 可靠性 焊点 强度
中图分类号：TM92 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0820119－01
一、引言
电子电路表面组装技术(又称表面组装技术或表面贴装技术)一般是指用自动组装设备将片式、微型化的无引线或短引线表面组装元件/器件(简称SMC/SMD，常称为片状元器件)直接贴装、焊到印刷电路板(PCB)表面或其它基板的表面规定位置上的一种电子装联技术，简称SMT(Surface MountingTechnology)。表面组装焊接一般采用浸焊或再流焊。若采用再流焊则先在PCB上点涂上或丝网印刷上焊膏，然后通过再流焊设备熔化焊膏进行焊接。
SMT是20世纪70年代获得实际应用的一种新型电子装联技术，它彻底改变了传统的通孔插装技术，使电子产品的微型化，轻量化成为可能，被誉为电子组装技术的一次革命，是继手工装联，半自动插装，自动插装后的第四代电子装联技术。它以缩小产品体积、重量、提高产品可靠性及电气性能，降低生产成本为目的，自80年代以来得到了飞速发展。当前，SMT已在计算机、通信、军事、工业自动化、消费类电子等领域的新一代产品中广泛应用。电子组装的趋势是淘汰传统的通孔安装技术而趋向100%的表面组装技术。由于I/O端子数要求急剧上升。为了适应这一要求，QFP(方型扁平式封装)元器件的引脚数逐渐增加，引脚间距不断缩小，达到0.3的极限值，这就限制了组装密度的提高。所以在原有封装品种的基础上增添了新的封装技术，且当前SMT已进入微组装、高密度组装和立体组装的新阶段，以及MCM(多芯片组件)、BGA(球型栅格阵列)、CSP(芯片尺寸封装)等新型表面组装元器件的快速发展和大量应用阶段。
虽然国内外对SMT焊点的可靠性做了大量的研究，但随着SMT技术的发展，其可靠性问题一直为研究的热点。它也将促使SMT的发展和广泛应用。特别是在航空航天及军用电子产品等对焊点的可靠性要求很高的应用领域，所以这方面的研究工作是非常有意义的。
二、SMT焊点可靠性的研究
（一）可靠性概述
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。但由于电子器件的体积和焊点的尺寸越来越小，而所需承载的力学、电学和热学负荷却越来越重，这一过程温度循环作用较大。因此，提高焊点可靠性是保证SMT产品质量的关键。表面组装焊点实际上是个软钎焊的搭接接头，用钎料合金把陶瓷芯片载体和树脂印制电路板连接起来。良好的焊点应该是在设备的使用寿命周期内，其机械和电气性能都不发生失效。其外观表现为：（1）良好的润湿；（2）适当的焊料量和焊料完全覆盖焊盘和引线的焊接部位，元件高度适中；（3）完整而平滑光亮的表面。此外，焊接点的边缘应当较薄，若焊接表面足够大，焊料与焊盘表面的润湿角以30°以下为好。理想的焊点形成一个可靠的、电气上连续的、机械上稳固的连接。适当的可靠性设计(DFR，Design ForReliability)
需要的，以保证适当的性能。但SMT焊点其可靠性存在着很多问题，主要来自于生产组装过程和服役过程中。由于陶瓷芯片与树脂基板之间存在着热膨胀系数(CTE)的差异，前者一般为6×10-6℃-1，后者为20×10-6℃-1，热学参量的失配及集成电路(IC)与集成系统(IS)的功率循环引起的热应力和交变循环将导致焊点的热疲劳，从而使焊点的性能退化，可靠性降低，甚至造成IC及IS失效。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％，远高于其它故障加器件或印制板故障。
（二）可靠性研究现状
由于焊点的可靠性受到十分关注，一直成为电子行业的焦点。关于焊点可靠性研究的可供参考的文献也非常多。国内以钱乙余、王青春、赵秀娟等带头人对SMT各类焊点的可靠性做了大量研究：通过对其焊点形态参数的研究，探讨其对焊点可靠性的影响；研究焊点在热循环下应力应变的分布从而推导出其焊点的疲劳寿命或者是抗蠕变性，通过对焊点可靠性的有限元(Surface Evolver，ANSYS)分析来优化焊点形态设计等大量工作。
国外对SMT 焊点可靠性的分析也逐渐进步。Mukai 等人在预测BGA 焊点寿命时，先通过FEM 计算得出循环等效蠕变应变范围代入Manson-offin 型方程预测焊点热疲劳寿命；Lee等人通过FEM计算得出翼形引线SMT焊点内部蠕变应变等值，并与失效焊点内部裂纹的SEM图像进行对比，从而认为最大蠕变应变所在位置为裂纹萌生位置；而Jung等人在分析SMT焊点热循环可靠性时，通过FEM计算得出等效应力等值，并认为最大等效应力所在位置为裂纹萌生位置；Lau等人在分析翼形引线SMT焊点形态对可靠性的影响时，通过FEM计算得出不同形态焊点内部等效应力，通过比较引线底面所对应的焊点上部的应力值大小，得出焊点无钎焊圆角时可靠性较差的结论。
（三）可靠性的研究内容
由于电子封装SnPb焊点可靠性的重要性，现在在电子封装技术领域，提出了焊点可靠性工程的概念，其内涵包括：可靠性设计，可靠性测试和数据分析及失效分析。国内外关于电子封装SnPb焊点可靠性的研究主要集中在以下几个方面：
1．研制开发新型基板材料
为了协调电子封装与基板的热膨胀匹配，降低SnPb 焊点在服役条件下的应力应变，提高焊点的可靠性，已经研制开发了42%Ni-Fe 合金(CTE为5×10-6℃-1)、Cu-因瓦-Cu复合基板(CTE为2.8-13 10-6℃-1)，Cu-MoCu 及石英纤维复合材料等新型基板材料，取得了较好的效果。但新型基板材料的工艺复杂，价格相对昂贵，其实用性受到限制。
2．研究和发展预测电子封装SnPb 焊点热循环可靠性的基础理论和测试技术
内容涉及热循环寿命预测方法、SnPb 钎料在热循环条件下的失效机制、焊点可靠性的加速试验方法等。SnPb 焊点的寿命预测一直是焊点可靠性问题的重要内容。已经提出了多种寿命预测模型，如基于应变范围的Coffin-Manson经验模型，基于断裂力学的裂纹扩展模型和基于损伤累积的能量模型等。普遍认为，SnPb 焊点在热循环条件下的失效机制是蠕变疲劳的交互作用，SnPb 焊点的失效断口既有疲劳断裂特征的疲劳辉纹，又具有蠕变断裂特征的沿晶裂纹。目前，对焊点失效机制的研究不多。
3．SnPb钎料合金的研究
内容包括：研制和开发高可靠性SnPb基钎料合金，SnPb钎料的力学本构方程等。目前，通过在SnPb基钎料中添加合金元素(如Cu、Ag、In等)或稀土变质，研究开发了多种SnPb基钎料合金，在提高焊点热循环可靠性方面取得了一定进展。由于SnPb基钎料合金在热循环条件下明显的蠕变变形和应力松弛行为，基于时间相关变形机制的力学本构研究也受到了人们的关注。
（四）焊点可靠性分析
1．引脚数相同、焊膏成分不同QFP 焊点的抗拉强度有明显区别
含铅的QFP焊点的抗拉强度小于焊膏成分为无铅QFP 焊点的抗拉强度；焊膏成分相同、引脚数不同的QFP 焊点的抗拉强度也有明显的区别。引脚数越多，尺寸越小，抗拉强度也越高，QFP 焊点的抗拉强度高于焊膏中钎料合金自身的抗拉强度。
2．PBGA焊球直径越小，其焊点的抗剪强度越大，换而言之；PBGA 焊点的抗剪强度与焊球直径成反比；锡铅共晶钎料(63Sn37Pb)PBGA 封装器件焊点的抗剪强度大于焊膏中钎料合金自身的抗剪强度。
3．CBGA封装焊点在热载荷条件下的疲劳失效试验研究表明，焊点最先起裂的位置位于焊膏与基板的界面处。随着热循环次数的增加，裂纹慢慢发生扩展并导致沿晶断裂；随着热循环次数的增加，焊点的上界面也逐渐出现疲劳裂纹，在循环240 次时焊点发生断裂而失效。CBGA封装焊点的抗剪强度随着循环次数的增加而逐渐降低，焊点的晶粒逐渐长大且金属间化合物层厚度增大。
4．CBGA封装焊点有限元数值模拟结果表明，温度载荷下焊点的应力应变随着时间均是动态变化，焊点的应力应变呈周期性变化规律。2D 分析模拟与大多数理论分析结果一致，3D 计算结果更接近实际测试结果。焊点的应力集中在焊点的最下端，即在焊点与基板界面先出现裂纹，随着循环次数的增多，在焊点的上界面也逐渐出现裂纹，与试验结果更为吻合。
5．3D计算结果预测CBGA 封装焊点热寿命为262 次，而CBGA封装焊点热循环试验结果240次，两者非常接近，试验结果与理论计算结果的误差在标准允许范围之内。焊点的失效断裂发生在焊点的下界面，再慢慢产生在焊点的上界面，充分说明3D 有限元计算预测可用于CBGA 封装焊点的寿命预测。
三、结论
在SMT焊点可靠性的研究中，最终研究的目的就是要提高焊点的热疲劳寿命。由于寿命预测评价缺乏系统的理论研究和试验数据支持，只能通过有限的热循环试验结果和焊点的各种寿命预测模型来判别。本文通过对QFP焊点的抗拉强度的影响因素，PBGA焊点的质量检测及强度测试进行较为系统、深入的研究，对CBGA焊点在热载荷条件下进行的有限元数值模拟，以及对CBGA焊点热循环前后微观组织及失效机制进行研究，为焊点寿命预测提供研究数据支持和理论基础以及具有实用性的评价方法。
参考文献：
[1]吴兆华, 周德俭. 表面组装技术基础[M].北京：国防工业出版社, 2002. 1~3.
[2]Lau J, Marcotte T, Severine J, et al. Solder Joint Reliability of Surface Mount Connectors[J]. Transaction of the ASME. Journal of Electronic packaging, 1993, 115(2)：180~188.
[3]熊辉.表面安装技术及其国内外发展概况[J].微电子学, 1994, 4(6)：28~29.
[4]童志义.高密度封装技术现状及发展趋势[J].电子工业专用设备，2000, 29(2)：1~9.
[5]张文典. 实用表面组装技术[M].第2 版本, 北京：电子工业出版社, 2002, 299~300.
[关键词]SMT 可靠性 焊点 强度
中图分类号：TM92 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0820119－01
一、引言
电子电路表面组装技术(又称表面组装技术或表面贴装技术)一般是指用自动组装设备将片式、微型化的无引线或短引线表面组装元件/器件(简称SMC/SMD，常称为片状元器件)直接贴装、焊到印刷电路板(PCB)表面或其它基板的表面规定位置上的一种电子装联技术，简称SMT(Surface MountingTechnology)。表面组装焊接一般采用浸焊或再流焊。若采用再流焊则先在PCB上点涂上或丝网印刷上焊膏，然后通过再流焊设备熔化焊膏进行焊接。
SMT是20世纪70年代获得实际应用的一种新型电子装联技术，它彻底改变了传统的通孔插装技术，使电子产品的微型化，轻量化成为可能，被誉为电子组装技术的一次革命，是继手工装联，半自动插装，自动插装后的第四代电子装联技术。它以缩小产品体积、重量、提高产品可靠性及电气性能，降低生产成本为目的，自80年代以来得到了飞速发展。当前，SMT已在计算机、通信、军事、工业自动化、消费类电子等领域的新一代产品中广泛应用。电子组装的趋势是淘汰传统的通孔安装技术而趋向100%的表面组装技术。由于I/O端子数要求急剧上升。为了适应这一要求，QFP(方型扁平式封装)元器件的引脚数逐渐增加，引脚间距不断缩小，达到0.3的极限值，这就限制了组装密度的提高。所以在原有封装品种的基础上增添了新的封装技术，且当前SMT已进入微组装、高密度组装和立体组装的新阶段，以及MCM(多芯片组件)、BGA(球型栅格阵列)、CSP(芯片尺寸封装)等新型表面组装元器件的快速发展和大量应用阶段。
虽然国内外对SMT焊点的可靠性做了大量的研究，但随着SMT技术的发展，其可靠性问题一直为研究的热点。它也将促使SMT的发展和广泛应用。特别是在航空航天及军用电子产品等对焊点的可靠性要求很高的应用领域，所以这方面的研究工作是非常有意义的。
二、SMT焊点可靠性的研究
（一）可靠性概述
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。但由于电子器件的体积和焊点的尺寸越来越小，而所需承载的力学、电学和热学负荷却越来越重，这一过程温度循环作用较大。因此，提高焊点可靠性是保证SMT产品质量的关键。表面组装焊点实际上是个软钎焊的搭接接头，用钎料合金把陶瓷芯片载体和树脂印制电路板连接起来。良好的焊点应该是在设备的使用寿命周期内，其机械和电气性能都不发生失效。其外观表现为：（1）良好的润湿；（2）适当的焊料量和焊料完全覆盖焊盘和引线的焊接部位，元件高度适中；（3）完整而平滑光亮的表面。此外，焊接点的边缘应当较薄，若焊接表面足够大，焊料与焊盘表面的润湿角以30°以下为好。理想的焊点形成一个可靠的、电气上连续的、机械上稳固的连接。适当的可靠性设计(DFR，Design ForReliability)
需要的，以保证适当的性能。但SMT焊点其可靠性存在着很多问题，主要来自于生产组装过程和服役过程中。由于陶瓷芯片与树脂基板之间存在着热膨胀系数(CTE)的差异，前者一般为6×10-6℃-1，后者为20×10-6℃-1，热学参量的失配及集成电路(IC)与集成系统(IS)的功率循环引起的热应力和交变循环将导致焊点的热疲劳，从而使焊点的性能退化，可靠性降低，甚至造成IC及IS失效。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％，远高于其它故障加器件或印制板故障。
（二）可靠性研究现状
由于焊点的可靠性受到十分关注，一直成为电子行业的焦点。关于焊点可靠性研究的可供参考的文献也非常多。国内以钱乙余、王青春、赵秀娟等带头人对SMT各类焊点的可靠性做了大量研究：通过对其焊点形态参数的研究，探讨其对焊点可靠性的影响；研究焊点在热循环下应力应变的分布从而推导出其焊点的疲劳寿命或者是抗蠕变性，通过对焊点可靠性的有限元(Surface Evolver，ANSYS)分析来优化焊点形态设计等大量工作。
国外对SMT 焊点可靠性的分析也逐渐进步。Mukai 等人在预测BGA 焊点寿命时，先通过FEM 计算得出循环等效蠕变应变范围代入Manson-offin 型方程预测焊点热疲劳寿命；Lee等人通过FEM计算得出翼形引线SMT焊点内部蠕变应变等值，并与失效焊点内部裂纹的SEM图像进行对比，从而认为最大蠕变应变所在位置为裂纹萌生位置；而Jung等人在分析SMT焊点热循环可靠性时，通过FEM计算得出等效应力等值，并认为最大等效应力所在位置为裂纹萌生位置；Lau等人在分析翼形引线SMT焊点形态对可靠性的影响时，通过FEM计算得出不同形态焊点内部等效应力，通过比较引线底面所对应的焊点上部的应力值大小，得出焊点无钎焊圆角时可靠性较差的结论。
（三）可靠性的研究内容
由于电子封装SnPb焊点可靠性的重要性，现在在电子封装技术领域，提出了焊点可靠性工程的概念，其内涵包括：可靠性设计，可靠性测试和数据分析及失效分析。国内外关于电子封装SnPb焊点可靠性的研究主要集中在以下几个方面：
1．研制开发新型基板材料
为了协调电子封装与基板的热膨胀匹配，降低SnPb 焊点在服役条件下的应力应变，提高焊点的可靠性，已经研制开发了42%Ni-Fe 合金(CTE为5×10-6℃-1)、Cu-因瓦-Cu复合基板(CTE为2.8-13 10-6℃-1)，Cu-MoCu 及石英纤维复合材料等新型基板材料，取得了较好的效果。但新型基板材料的工艺复杂，价格相对昂贵，其实用性受到限制。
2．研究和发展预测电子封装SnPb 焊点热循环可靠性的基础理论和测试技术
内容涉及热循环寿命预测方法、SnPb 钎料在热循环条件下的失效机制、焊点可靠性的加速试验方法等。SnPb 焊点的寿命预测一直是焊点可靠性问题的重要内容。已经提出了多种寿命预测模型，如基于应变范围的Coffin-Manson经验模型，基于断裂力学的裂纹扩展模型和基于损伤累积的能量模型等。普遍认为，SnPb 焊点在热循环条件下的失效机制是蠕变疲劳的交互作用，SnPb 焊点的失效断口既有疲劳断裂特征的疲劳辉纹，又具有蠕变断裂特征的沿晶裂纹。目前，对焊点失效机制的研究不多。
3．SnPb钎料合金的研究
内容包括：研制和开发高可靠性SnPb基钎料合金，SnPb钎料的力学本构方程等。目前，通过在SnPb基钎料中添加合金元素(如Cu、Ag、In等)或稀土变质，研究开发了多种SnPb基钎料合金，在提高焊点热循环可靠性方面取得了一定进展。由于SnPb基钎料合金在热循环条件下明显的蠕变变形和应力松弛行为，基于时间相关变形机制的力学本构研究也受到了人们的关注。
（四）焊点可靠性分析
1．引脚数相同、焊膏成分不同QFP 焊点的抗拉强度有明显区别
含铅的QFP焊点的抗拉强度小于焊膏成分为无铅QFP 焊点的抗拉强度；焊膏成分相同、引脚数不同的QFP 焊点的抗拉强度也有明显的区别。引脚数越多，尺寸越小，抗拉强度也越高，QFP 焊点的抗拉强度高于焊膏中钎料合金自身的抗拉强度。
2．PBGA焊球直径越小，其焊点的抗剪强度越大，换而言之；PBGA 焊点的抗剪强度与焊球直径成反比；锡铅共晶钎料(63Sn37Pb)PBGA 封装器件焊点的抗剪强度大于焊膏中钎料合金自身的抗剪强度。
3．CBGA封装焊点在热载荷条件下的疲劳失效试验研究表明，焊点最先起裂的位置位于焊膏与基板的界面处。随着热循环次数的增加，裂纹慢慢发生扩展并导致沿晶断裂；随着热循环次数的增加，焊点的上界面也逐渐出现疲劳裂纹，在循环240 次时焊点发生断裂而失效。CBGA封装焊点的抗剪强度随着循环次数的增加而逐渐降低，焊点的晶粒逐渐长大且金属间化合物层厚度增大。
4．CBGA封装焊点有限元数值模拟结果表明，温度载荷下焊点的应力应变随着时间均是动态变化，焊点的应力应变呈周期性变化规律。2D 分析模拟与大多数理论分析结果一致，3D 计算结果更接近实际测试结果。焊点的应力集中在焊点的最下端，即在焊点与基板界面先出现裂纹，随着循环次数的增多，在焊点的上界面也逐渐出现裂纹，与试验结果更为吻合。
5．3D计算结果预测CBGA 封装焊点热寿命为262 次，而CBGA封装焊点热循环试验结果240次，两者非常接近，试验结果与理论计算结果的误差在标准允许范围之内。焊点的失效断裂发生在焊点的下界面，再慢慢产生在焊点的上界面，充分说明3D 有限元计算预测可用于CBGA 封装焊点的寿命预测。
三、结论
在SMT焊点可靠性的研究中，最终研究的目的就是要提高焊点的热疲劳寿命。由于寿命预测评价缺乏系统的理论研究和试验数据支持，只能通过有限的热循环试验结果和焊点的各种寿命预测模型来判别。本文通过对QFP焊点的抗拉强度的影响因素，PBGA焊点的质量检测及强度测试进行较为系统、深入的研究，对CBGA焊点在热载荷条件下进行的有限元数值模拟，以及对CBGA焊点热循环前后微观组织及失效机制进行研究，为焊点寿命预测提供研究数据支持和理论基础以及具有实用性的评价方法。
参考文献：
[1]吴兆华, 周德俭. 表面组装技术基础[M].北京：国防工业出版社, 2002. 1~3.
[2]Lau J, Marcotte T, Severine J, et al. Solder Joint Reliability of Surface Mount Connectors[J]. Transaction of the ASME. Journal of Electronic packaging, 1993, 115(2)：180~188.
[3]熊辉.表面安装技术及其国内外发展概况[J].微电子学, 1994, 4(6)：28~29.
[4]童志义.高密度封装技术现状及发展趋势[J].电子工业专用设备，2000, 29(2)：1~9.
[5]张文典. 实用表面组装技术[M].第2 版本, 北京：电子工业出版社, 2002, 299~300.