微連接課件-第5章試驗方法

1、1微微電子封裝與組裝焊點的電子封裝與組裝焊點的可靠性與測試可靠性與測試材料成型與控制系材料成型與控制系2第五章第五章 可靠性試驗方法和標準可靠性試驗方法和標準3可靠性試驗標準可靠性試驗標準( (確保試驗的可比性）確保試驗的可比性）日本：日本： 日本工業(yè)標準日本工業(yè)標準JISJIS日本電子機械工業(yè)協(xié)會標準日本電子機械工業(yè)協(xié)會標準EIAJEIAJ、IECIEC標準標準日電公司標準、宇宙開發(fā)事業(yè)團標準、汽車工業(yè)會標日電公司標準、宇宙開發(fā)事業(yè)團標準、汽車工業(yè)會標 準等（部門及企業(yè)標準）準等（部門及企業(yè)標準）JISJIS Z 3198 Z 3198 無鉛釬料及其接合部性能測試的工業(yè)標準無鉛釬料及其接合部

2、性能測試的工業(yè)標準 JIS C 5020 JIS C 5020 電子設備用元件的耐侯性及機械強度試驗方法通則電子設備用元件的耐侯性及機械強度試驗方法通則EIAJ SDEIAJ SD121121：分立半導體器件的環(huán)境及壽命試驗方法：分立半導體器件的環(huán)境及壽命試驗方法EIAJ ICEIAJ IC121121：集成電路可靠性試驗方法：集成電路可靠性試驗方法IEC PUBIEC PUB6868：環(huán)境試驗方法：環(huán)境試驗方法4歐洲標準歐洲標準CENELECCENELEC英國：英國：英國標準英國標準BSBSBS9300:BS9300:半導體器件試驗方法半導體器件試驗方法BS9400BS9400：集成電路試驗

3、方法：集成電路試驗方法美國：美國：美國軍用標準美國軍用標準MILMILMIL-STD-750B : MIL-STD-750B : 半導體器件試驗方法半導體器件試驗方法MIL-STD-883A : MIL-STD-883A : 微電子電路試驗方法微電子電路試驗方法德國：德國：歐洲：歐洲：德國工業(yè)標準德國工業(yè)標準DINDIN5電子元器件的可靠性試驗標準電子元器件的可靠性試驗標準中華人民共和國軍用中華人民共和國軍用標準標準GJBGJB 國防科學技術委員會頒布；國防科學技術委員會頒布；宇航用電子元器件有效儲存期及超期復驗指南宇航用電子元器件有效儲存期及超期復驗指南中華人中華人民共和國軍用標準民共和國軍

4、用標準GJBZ/123-99GJBZ/123-99總裝備部軍標發(fā)行；總裝備部軍標發(fā)行；中華人民共和國電子行業(yè)標準中華人民共和國電子行業(yè)標準SJ/T10694-1996SJ/T10694-1996電子工電子工業(yè)部標準業(yè)部標準中國：中國：6EIAJ SDEIAJ SD121121：器件的環(huán)境及壽命試驗方法概要：器件的環(huán)境及壽命試驗方法概要 1 1） 耐焊性試驗：考察焊接過程中器件耐熱性耐焊性試驗：考察焊接過程中器件耐熱性2 2） 可焊性試驗：可焊性試驗： 3 3） 熱沖擊試驗：考察元件抗溫度驟變的能力熱沖擊試驗：考察元件抗溫度驟變的能力 a a）：）：0 0和和100100水各浸泡水各浸泡1515

5、秒，轉換時間秒，轉換時間3 3秒；秒； b b）：）：0 0和和100100水各浸泡水各浸泡5 5分鐘，轉換時間分鐘，轉換時間1010秒秒 元件各部分溫差產(chǎn)生的應變和均勻物質(zhì)的溫差熱應變，元件各部分溫差產(chǎn)生的應變和均勻物質(zhì)的溫差熱應變， 檢查斷路、芯片裂紋等，考察電特性。檢查斷路、芯片裂紋等，考察電特性。4 4）溫度循環(huán)試驗：考察元件抗高低溫變化的能力）溫度循環(huán)試驗：考察元件抗高低溫變化的能力 a a）：空氣循環(huán)高低溫箱各）：空氣循環(huán)高低溫箱各3030分鐘，中間轉換分鐘，中間轉換1010分鐘，分鐘， 溫度標準：溫度標準：50-12550-125；0-1250-125 熱膨脹系數(shù)不同物質(zhì)間產(chǎn)生的

6、應變，檢查斷路、短路，熱膨脹系數(shù)不同物質(zhì)間產(chǎn)生的應變，檢查斷路、短路， 考察電特性考察電特性75 5） 溫濕度循環(huán)試驗：溫濕度循環(huán)試驗： （65652 2）、90909898RHRH加熱加熱8 8小時小時（25252 2） 、 90909898RHRH下下1 1到到4 4小時，反復小時，反復2020次；次； 檢驗器件在高溫、高濕條件下的劣化程度和穩(wěn)定性檢驗器件在高溫、高濕條件下的劣化程度和穩(wěn)定性6 6）密封試驗（封裝外殼氣密性）密封試驗（封裝外殼氣密性）7 7）沖擊試驗（器件經(jīng)受運輸和實際使用時的劇烈沖擊，半）沖擊試驗（器件經(jīng)受運輸和實際使用時的劇烈沖擊，半 正弦波加速度的沖擊試驗臺，器件固定

7、到托架上，一正弦波加速度的沖擊試驗臺，器件固定到托架上，一 定高度下以規(guī)定的加速度落下，器件每一方向沖擊定高度下以規(guī)定的加速度落下，器件每一方向沖擊3 3次）次）8 8）恒定加速度試驗（檢驗器件內(nèi)部結構的機械強度，采用）恒定加速度試驗（檢驗器件內(nèi)部結構的機械強度，采用 離心加速度設備，用卡具緊固管殼，以防變形和損壞，離心加速度設備，用卡具緊固管殼，以防變形和損壞， 測量電特性）測量電特性）89 9）自然跌落試驗）自然跌落試驗 檢驗器件能否經(jīng)受正常使用時的不規(guī)則沖擊；自檢驗器件能否經(jīng)受正常使用時的不規(guī)則沖擊；自7575厘米厘米 高度將器件自由跌落到高度將器件自由跌落到151515153 3厘米平

8、滑楓木板上，根據(jù)厘米平滑楓木板上，根據(jù) 器件結構注意跌落方向。器件結構注意跌落方向。1010）振動試驗）振動試驗: :器件固定到振動設備上，分別在器件固定到振動設備上，分別在X X，Y Y，Z Z三個方三個方 向上振動，向上振動，1 1）低頻）低頻60Hz60Hz、9696小時；小時；2 2）100-2000Hz100-2000Hz，4848分鐘分鐘1111）引線強度試驗（檢驗連接引線承受的強度）引線強度試驗（檢驗連接引線承受的強度） a a）拉伸試驗：引出方向上加載）拉伸試驗：引出方向上加載5 5秒，根據(jù)截面積不同秒，根據(jù)截面積不同 確定負載大小確定負載大小 b b）彎曲試驗：將負載吊在引線

9、前端上，在）彎曲試驗：將負載吊在引線前端上，在5 5秒內(nèi)使引秒內(nèi)使引 線彎成線彎成9090度，然后復原，檢查引線和器度，然后復原，檢查引線和器 件整體的相對開裂、損傷和松動。件整體的相對開裂、損傷和松動。91212）鹽霧試驗）鹽霧試驗 檢驗器件表面抗腐蝕性和均勻性；檢驗器件表面抗腐蝕性和均勻性； NaCl NaCl （5 51 1）、）、 鹽水噴嘴噴霧量鹽水噴嘴噴霧量0.5-3ml/h0.5-3ml/h，（，（35352 2） 、（、（24242 2） 小時；檢查劃痕、表面明顯剝落、凹坑和腐蝕的影響。小時；檢查劃痕、表面明顯剝落、凹坑和腐蝕的影響。1313）高溫儲存壽命試驗）高溫儲存壽命試驗

10、檢驗器件的長期耐高溫性能，通常采用檢驗器件的長期耐高溫性能，通常采用T Tstgmaxstgmax、10001000小時小時, , 常溫放置常溫放置2 2小時，測電參數(shù)小時，測電參數(shù)10加速壽命試驗方法加速壽命試驗方法1 1）壽命試驗與加速壽命試驗：）壽命試驗與加速壽命試驗：壽命試驗：儲存或工作條件下確定壽命的統(tǒng)計平均的試驗壽命試驗：儲存或工作條件下確定壽命的統(tǒng)計平均的試驗加速壽命試驗（觀察失效和預計實際工作狀態(tài)下的失效率）：加速壽命試驗（觀察失效和預計實際工作狀態(tài)下的失效率）：在可靠性術語中，加速壽命試驗定義為在可靠性術語中，加速壽命試驗定義為“為縮短試驗時間，為縮短試驗時間，用比標準條件更

11、為嚴格的條件進行的試驗；但做加速壽命試用比標準條件更為嚴格的條件進行的試驗；但做加速壽命試驗時，為了能有效地進行可靠性評價，要求驗時，為了能有效地進行可靠性評價，要求失效模式和失效失效模式和失效機理不會因加速而發(fā)生變化。機理不會因加速而發(fā)生變化。加速因子的確定：加速因子的確定： 試驗前，應先假設出與被試驗器件的制造工藝相應的失效機試驗前，應先假設出與被試驗器件的制造工藝相應的失效機理，再決定加速因子和條件，即通過失效分析找出失效原因理，再決定加速因子和條件，即通過失效分析找出失效原因112 2）加速壽命試驗的基本理論：）加速壽命試驗的基本理論： a) a) 阿列尼烏斯模型：最適合以熱力學溫度加

12、速因子的試驗阿列尼烏斯模型：最適合以熱力學溫度加速因子的試驗 lnL=A+E/(RT)lnL=A+E/(RT)LL壽命壽命AA常數(shù)常數(shù)EE激活能激活能(Kcal/mol)(Kcal/mol)TT熱力學溫度（熱力學溫度（K K）RR氣體常數(shù)氣體常數(shù)（1.9861.98610103 3 Kcal/mol.deg) Kcal/mol.deg)應用：試驗應用：試驗T1T1、T2T2對應壽命對應壽命L1L1、L2L2反應的激活能反應的激活能高溫下的反應加速性的大致量值高溫下的反應加速性的大致量值12b) b) 愛倫模型：最適合以應力為加速因子的試驗愛倫模型：最適合以應力為加速因子的試驗 lnL=AlnL

13、=AlnSlnSLL壽命壽命A A、 常數(shù)常數(shù)SS應力應力應用：試驗材料疲勞時，應用：試驗材料疲勞時，S1S1、S2S2為交變應力，對應循環(huán)次數(shù)為交變應力，對應循環(huán)次數(shù) （壽命）為（壽命）為N1N1、N2N2，則，則 lnln（N1/N2N1/N2）=ln=ln（S2/S1S2/S1） 求出表示反應加速性的大致量值求出表示反應加速性的大致量值，可求任意應力下的壽命，可求任意應力下的壽命 13失效失效位置位置失效現(xiàn)象失效現(xiàn)象有關因子有關因子加速因子加速因子加速性加速性（E E激活能）激活能）金屬金屬化化電遷移電遷移腐蝕、化學腐蝕、化學腐蝕腐蝕接點斷線接點斷線溫度、電流密度、溫度、電流密度、晶粒大

14、小晶粒大小濕度、電流梯度、濕度、電流梯度、沾污沾污溫度、金屬、雜質(zhì)溫度、金屬、雜質(zhì)T T、J JH H、V V、T TE E0.50.51.2eV1.2eV焊接焊接及其及其機械機械問題問題合金層生長合金層生長疲勞疲勞溫度、雜質(zhì)溫度、雜質(zhì)焊接強度焊接強度溫度循環(huán)溫度循環(huán)焊接強度焊接強度T TT TAlAl、AuAu：E E1.01.01.05eV1.05eV14加速壽命試驗的應用加速壽命試驗的應用1 1）AuAuAlAl合金生長與溫度的關系合金生長與溫度的關系加速試驗示例加速試驗示例AuAuAlAl合金生長與溫度合金生長與溫度的關系的關系目的目的減緩減緩AuAuAlAl鍵合造成的退鍵合造成的退化

15、失效化失效AuAuAlAl鍵合在高溫下生鍵合在高溫下生長顯著。主要合金為：長顯著。主要合金為：紫色相紫色相AuAl2AuAl2、白色相、白色相AuAlAuAl、黃褐色相、黃褐色相Au2AlAu2Al及及Au5Al2Au5Al2、Au4AlAu4Al相，并進相，并進一步求出各合金層的生一步求出各合金層的生長速度；長速度；證明合金層生長厚度值證明合金層生長厚度值符合阿列尼烏斯方程。符合阿列尼烏斯方程。加速因子加速因子溫度溫度失效判據(jù)失效判據(jù)合金層厚度合金層厚度失效機理失效機理AuAuAlAl合金生長造成退化合金生長造成退化152 2） AlAl遷移與電流密度的關系遷移與電流密度的關系加速試驗示例加

16、速試驗示例AlAl遷移與電流密度的關系遷移與電流密度的關系目的目的求出求出AlAl布線的過流燒壞壽命布線的過流燒壞壽命的界限的界限集成電路布線多用鋁薄膜，集成電路布線多用鋁薄膜，試驗得出流過布線的電流試驗得出流過布線的電流密度與環(huán)境溫度與壽命等密度與環(huán)境溫度與壽命等關系的一系列試驗曲線關系的一系列試驗曲線加速因子加速因子溫度、電流密度溫度、電流密度失效判據(jù)失效判據(jù)斷路斷路失效機理失效機理電子遷移電子遷移)exp(kTQAJMTTFn163 3）塑封器件的熱疲勞性能）塑封器件的熱疲勞性能加速試驗示例加速試驗示例疲勞失效與熱應力的關疲勞失效與熱應力的關系系目的目的評估塑封器件承受溫度循評估塑封器件

17、承受溫度循環(huán)的能力環(huán)的能力由于溫差變化，在熱膨由于溫差變化，在熱膨脹系數(shù)相差較大的材料脹系數(shù)相差較大的材料之間通常產(chǎn)生應力，器之間通常產(chǎn)生應力，器件的應力集中部位往往件的應力集中部位往往造成斷線、開裂等造成斷線、開裂等近似于愛倫模型近似于愛倫模型加速因子加速因子 熱應力（溫度差）熱應力（溫度差）失效判據(jù)失效判據(jù) 斷路、半斷路斷路、半斷路失效機理失效機理 材料之間，特別是塑料和材料之間，特別是塑料和金屬的熱膨脹系數(shù)差引起金屬的熱膨脹系數(shù)差引起的循環(huán)應力使連接斷裂的循環(huán)應力使連接斷裂/()mfNClglgfBNA 1718191. 1. 釬焊的可焊性評價釬焊的可焊性評價 1) 1) 可焊性定義可焊

18、性定義 可焊性定義可焊性定義1 1： 工件表面易于被熔融釬料潤濕的特性工件表面易于被熔融釬料潤濕的特性。含義：一是兩個。含義：一是兩個 工件表面之間形成工件表面之間形成接合的能力接合的能力，即，即“焊接質(zhì)量焊接質(zhì)量”；一是；一是 形成這種形成這種接合所需要的時間接合所需要的時間，即，即“焊接時間焊接時間”?？珊感猿３Ｓ迷谝?guī)定的條件下，達到規(guī)定的潤濕程度所可焊性常常用在規(guī)定的條件下，達到規(guī)定的潤濕程度所需要的時間需要的時間( (潤濕平衡試驗）或在規(guī)定的時間內(nèi)所能達潤濕平衡試驗）或在規(guī)定的時間內(nèi)所能達到的潤濕程度（鋪展試驗）來表示。到的潤濕程度（鋪展試驗）來表示。20 可焊性定義可焊性定義2 2：

19、 包括包括浸潤性浸潤性在內(nèi)的焊接部位的在內(nèi)的焊接部位的機械和電性能機械和電性能的可靠性：的可靠性：a a）作用在焊料）作用在焊料母材母材助焊劑三者之間的界面張力產(chǎn)生助焊劑三者之間的界面張力產(chǎn)生 “ “浸潤浸潤”來評價焊料與母材的焊接過程及其程度；來評價焊料與母材的焊接過程及其程度；b b）通過凝固后的剝離強度試驗來檢驗焊接部位的強度及）通過凝固后的剝離強度試驗來檢驗焊接部位的強度及 其導電性。其導電性。 212) 2) 典型的可焊性試驗方法及試驗標準典型的可焊性試驗方法及試驗標準 223) 3) 浸漬試驗浸漬試驗( (引線評價方法）引線評價方法） 操作程序：將經(jīng)過表面預處理操作程序：將經(jīng)過表面

20、預處理( (即涂覆助焊劑即涂覆助焊劑) )的元件引線的元件引線浸漬在焊槽中，使其附上釬料，然后在浸漬在焊槽中，使其附上釬料，然后在1010倍的顯微鏡下觀倍的顯微鏡下觀察，檢查釬料所覆蓋的面積是否占整個面積的察，檢查釬料所覆蓋的面積是否占整個面積的9595以以上，是否有氣孔或空隙等。上，是否有氣孔或空隙等。 缺點：缺點： 面積比率的測量精度不高。面積比率的測量精度不高。234) 4) 元件引線的可焊性試驗元件引線的可焊性試驗( (接觸角法接觸角法) ) 在試驗的引線上卷上直徑為在試驗的引線上卷上直徑為0.25mm0.25mm的釬料，在高于釬料熔點的的釬料，在高于釬料熔點的特定溫度范圍內(nèi)的特定溫度

21、范圍內(nèi)的聚乙二醇浴槽中浸漬聚乙二醇浴槽中浸漬1010分鐘分鐘，待釬料熔融后，待釬料熔融后取出，冷卻至室溫，然后測量試驗取出，冷卻至室溫，然后測量試驗引線與釬料隆起面的接觸角引線與釬料隆起面的接觸角。方法操作簡便，但接觸角的方法操作簡便，但接觸角的測量精度差測量精度差，數(shù)據(jù)處理困難。，數(shù)據(jù)處理困難。245 5） 焊球試驗法焊球試驗法 可以測定可以測定截面為圓形、矩形的元件引線截面為圓形、矩形的元件引線的可焊的可焊 性和性和 潤濕時間。潤濕時間。原理步驟原理步驟熔融的釬料小球置于加熱平臺，熔融的釬料小球置于加熱平臺，涂有釬劑的涂有釬劑的試驗導線水平地下試驗導線水平地下降進入焊料小球內(nèi)降進入焊料小球

22、內(nèi)，并將小球并將小球等分為二，此球?qū)⒈３址珠_的等分為二，此球?qū)⒈３址珠_的狀態(tài)，直至導線潤濕為止狀態(tài)，直至導線潤濕為止；潤濕逐漸增加，球的兩部分相潤濕逐漸增加，球的兩部分相遇并急驟并合；遇并急驟并合；小球分開與并小球分開與并合之間的時間，常稱為觸球時合之間的時間，常稱為觸球時間間，即在給定的試驗溫度下所，即在給定的試驗溫度下所測得的潤濕時間。測得的潤濕時間。25 焊球試驗法的設備焊球試驗法的設備 26 通孔元件可焊性測試時釬料球的選擇通孔元件可焊性測試時釬料球的選擇引線截面最大直徑（引線截面最大直徑（mmmm）釬料球重量（釬料球重量（mgmg）小于小于0.250.2550500.260.260.

23、550.5575750.560.560.750.751251250.760.761.201.20200200評價：評價： 通常情況下，通常情況下，SnPbSnPb釬料潤濕時間為釬料潤濕時間為1 1秒，一般不能秒，一般不能 超過超過2s2s，超過，超過2s2s為不合格。為不合格。276) 6) 鋪展試驗鋪展試驗 擴展率（）100DHD式中：式中：H H一鋪展后釬料的高度；一鋪展后釬料的高度； D D一釬料為球狀時的平均直徑。一釬料為球狀時的平均直徑。28 實驗室使用的擴展設備：實驗室使用的擴展設備： 29 日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省于日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省于2003 2003 年年6 6 月月20 20 日發(fā)布的日

24、發(fā)布的JIS Z JIS Z 3198 3198無鉛釬料及其接合部性能測試的工業(yè)標準無鉛釬料及其接合部性能測試的工業(yè)標準 a a）試驗材料：）試驗材料：銅板：尺寸為銅板：尺寸為303030300. 3 mm,0. 3 mm,材料為無氧銅材料為無氧銅C1220P C1220P 或或 C1201PC1201P（磷脫氧銅板），進行表面預處理后；（磷脫氧銅板），進行表面預處理后；釬料：加工為直徑釬料：加工為直徑6. 5 mm6. 5 mm、高度、高度1. 24 mm1. 24 mm的圓板形狀；的圓板形狀；釬劑：配置順序為釬劑：配置順序為: (25 : (25 0. 1) g 0. 1) g 的松香加入

25、到的松香加入到(75 (75 0. 0. 1) g 1) g 的丙酮內(nèi)的丙酮內(nèi), ,緩慢加熱使松香溶解緩慢加熱使松香溶解, ,再攪拌成為均再攪拌成為均 勻的溶液，松香采用勻的溶液，松香采用J IS K5902J IS K5902里規(guī)定的里規(guī)定的2 2 級松香，級松香， 然后加入有機物鹽酸鹽然后加入有機物鹽酸鹽(0. 39(0. 390. 01) g 0. 01) g 并緩慢攪并緩慢攪 拌溶解，冷卻后少量添加相當于蒸發(fā)掉的丙酮。拌溶解，冷卻后少量添加相當于蒸發(fā)掉的丙酮。30b b）試驗過程：）試驗過程：用用微滴注器微滴注器將將0. 02 ml 0. 02 ml 的釬劑滴在銅板的中央的釬劑滴在銅板

26、的中央, ,將釬料放將釬料放置在銅板的中間，放入置在銅板的中間，放入干燥器中加熱至干燥器中加熱至100 100 并保持并保持2 2 minmin , ,使釬劑中的溶劑揮發(fā)掉，共制作使釬劑中的溶劑揮發(fā)掉，共制作5 5 片片這樣的試驗件；這樣的試驗件；將釬料槽的釬料溫度穩(wěn)定在將釬料槽的釬料溫度穩(wěn)定在( (250 250 3)3); ;通過升降機使試通過升降機使試 驗件與釬料槽中熔化的釬料水平地接觸驗件與釬料槽中熔化的釬料水平地接觸, ,注意槽中熔化釬料注意槽中熔化釬料的的表面氧化膜表面氧化膜在試驗件接觸之前要用在試驗件接觸之前要用刮板除去刮板除去；接觸保持接觸保持30 s30 s , ,使無鉛釬料

27、熔化并在銅板上鋪展開，升降使無鉛釬料熔化并在銅板上鋪展開，升降 機將試驗件從釬料槽水平地拉起機將試驗件從釬料槽水平地拉起, ,一直冷卻到室溫；用適當一直冷卻到室溫；用適當?shù)牡娜軇┫慈モF劑殘渣溶劑洗去釬劑殘渣。3/124.1VD V V 試驗所用釬料試樣的質(zhì)量試驗所用釬料試樣的質(zhì)量/ / 密度密度 317 7） 潤濕平衡法潤濕平衡法 原理原理 樣品、熔化的釬料和大氣構樣品、熔化的釬料和大氣構成一個三相體系達到平衡時，成一個三相體系達到平衡時，表面張力形成的彎月面形狀，表面張力形成的彎月面形狀，根據(jù)楊氏方程根據(jù)楊氏方程 ：lg)cos(slsg32amFFF)cos(lgLFmVgFaLVgFlg

28、)cos(VgLF)cos(lg合力合力F F的變化與潤濕角的變化存在直接關系，因此反映潤的變化與潤濕角的變化存在直接關系，因此反映潤濕質(zhì)量的參數(shù)濕質(zhì)量的參數(shù)的動態(tài)測量的動態(tài)測量，可轉化為簡單的，可轉化為簡單的潤濕力和潤濕力和浮力的合力浮力的合力F F的測量。的測量。 33日本日本RhescaRhesca公司公司Solder Checker SAT-5100Solder Checker SAT-5100型型可焊性測試儀可焊性測試儀34 測試結果潤濕曲線測試結果潤濕曲線 也可用于器件引腳也可用于器件引腳可焊性的檢測；可焊性的檢測；MILMILSTDSTD883E 883E METHOD 2022

29、.2METHOD 2022.2Wetting Wetting Balance Balance Solderability Solderability 標準規(guī)定過零線的標準規(guī)定過零線的時間要小于時間要小于0 05s5s，并且在并且在lsls之內(nèi)達到之內(nèi)達到最大合力的最大合力的2/32/3。35 Sn37Pb Sn37Pb釬料潤濕曲線釬料潤濕曲線 36 Sn0.7Cu Sn0.7Cu 釬料潤濕曲線釬料潤濕曲線 37 Sn3.0Ag0.5Cu Sn3.0Ag0.5Cu 釬料潤濕曲線釬料潤濕曲線 382(1) 2(1) 釬料熔化溫度范圍測定方法釬料熔化溫度范圍測定方法 熔化溫度范圍是釬料合金最基本的性

30、質(zhì)熔化溫度范圍是釬料合金最基本的性質(zhì), ,是決定實際釬是決定實際釬 焊溫度的基本參數(shù)焊溫度的基本參數(shù), ,同時也可以通過它判斷釬料的流動同時也可以通過它判斷釬料的流動 性和結晶溫度區(qū)間等。性和結晶溫度區(qū)間等。 熔化溫度區(qū)間以熔化開始溫度和凝固開始溫度來描述熔化溫度區(qū)間以熔化開始溫度和凝固開始溫度來描述, , 熔化開始溫度通常指在合金相圖上的固相線溫度熔化開始溫度通常指在合金相圖上的固相線溫度, ,而凝而凝 固開始溫度相當于液相線的溫度。固開始溫度相當于液相線的溫度。 熔化開始溫度的測試采用掃描差熱測量熔化開始溫度的測試采用掃描差熱測量(DSC)(DSC)和差熱和差熱 分析分析(DTA) (DT

31、A) 方法進行方法進行; ; 凝固開始溫度通過熔化釬料合金的冷卻曲線測量。凝固開始溫度通過熔化釬料合金的冷卻曲線測量。39 熔化開始溫度測量參數(shù)：熔化開始溫度測量參數(shù)： 試樣質(zhì)量：試樣質(zhì)量：5 mg-10 mg ,5 mg-10 mg ,一般情況下均取一般情況下均取10 mg10 mg； 加熱速度：加熱速度：1 / min-10 / min ,1 / min-10 / min ,精度在精度在10 %10 %以內(nèi)。以內(nèi)。 溫度校正：純度為溫度校正：純度為99. 99 %99. 99 %已知熔點的純物質(zhì)標準試樣已知熔點的純物質(zhì)標準試樣40 差熱分析記錄曲線上求取熔化開始溫度的方法差熱分析記錄曲線上

32、求取熔化開始溫度的方法 41 從熔化釬料的冷卻曲線求取凝固開始溫度的方法從熔化釬料的冷卻曲線求取凝固開始溫度的方法 422(2) 2(2) 釬料機械特性的拉伸試驗（釬料機械特性的拉伸試驗（JIS Z 3198JIS Z 3198標準）標準） 標準件形狀和尺寸規(guī)格：標準件形狀和尺寸規(guī)格： 標準件制造：標準件制造： 鑄造釬料熔體的溫度定為無鉛釬料合金凝固開始溫鑄造釬料熔體的溫度定為無鉛釬料合金凝固開始溫 度之上度之上(100 (100 5) ,5) ,鑄造前鑄型的溫度為室溫。鑄造前鑄型的溫度為室溫。433. 3. 釬焊焊點的機械性能試驗方法釬焊焊點的機械性能試驗方法測定焊點的連接強度，因元器件形狀

33、不同而不完全相同測定焊點的連接強度，因元器件形狀不同而不完全相同: : 對對BGABGA等接頭隱藏在內(nèi)部的元器件：一般采用從搭等接頭隱藏在內(nèi)部的元器件：一般采用從搭 載該焊點的基板的背面進行彎曲試驗，測定連載該焊點的基板的背面進行彎曲試驗，測定連接接 破壞時強度。破壞時強度。a) a) 引線鍵合及引線鍵合及QFPQFP等有引線的元件：等有引線的元件： 多將基板水平或傾斜多將基板水平或傾斜4545進行引線的拉拔試驗；進行引線的拉拔試驗； 多引線部件應每一邊選出數(shù)根引線試驗，后取平均值；多引線部件應每一邊選出數(shù)根引線試驗，后取平均值； 對于片式元件：對于片式元件： 進行剪切試驗，但不能使元件受到?jīng)_

34、擊；進行剪切試驗，但不能使元件受到?jīng)_擊；444546 1） 釬料接頭拉伸及剪切試驗方法（釬料接頭拉伸及剪切試驗方法（JIS Z 3198JIS Z 3198標準）標準） 必要性：必要性： 健全焊點的條件下健全焊點的條件下, ,軟釬焊接頭的可靠性受接合界面軟釬焊接頭的可靠性受接合界面 IMCIMC生成及其成長的影響。生成及其成長的影響。 拉伸試樣和拉伸試樣和1 1剪切試樣試驗方法剪切試樣試驗方法 47 釬焊前接頭金屬需用脫脂液或酸洗液清洗；釬料量釬焊前接頭金屬需用脫脂液或酸洗液清洗；釬料量以保證填滿接合部間隙為準；焊后機械加工除去接以保證填滿接合部間隙為準；焊后機械加工除去接頭多余部分。頭多余部

35、分。拉伸速度范圍為拉伸速度范圍為1 mm/ min-50 mm/ min1 mm/ min-50 mm/ min；試驗環(huán)；試驗環(huán)境溫度一般選擇境溫度一般選擇10 -35 10 -35 。拉伸強度計算公式：拉伸強度計算公式：剪切強度計算公式：剪切強度計算公式：APAPS48 由于接頭釬焊圓角直接影響接頭強度值由于接頭釬焊圓角直接影響接頭強度值, ,因此試驗件的制因此試驗件的制備要求消除釬料潤濕圓角備要求消除釬料潤濕圓角, ,保證試驗結果的均一性。保證試驗結果的均一性。 2 2 剪切試件試驗方法剪切試件試驗方法拉伸速度范圍為拉伸速度范圍為1 mm/ min1 mm/ min50 mm/ min50

36、 mm/ min；試驗環(huán)境溫度一；試驗環(huán)境溫度一般為般為10 10 35 35 ；卡具間隙范圍為；卡具間隙范圍為0. 2 mm0. 2 mm0. 7 mm0. 7 mm。492 2） QFPQFP 引線軟釬焊接頭引線軟釬焊接頭45拉引試驗方法（拉引試驗方法（JIS Z 3198JIS Z 3198標準）標準） 把試件固定在夾具上把試件固定在夾具上, ,基板平面要與水平面保持基板平面要與水平面保持4545。對于拉。對于拉 伸掛鉤卡具伸掛鉤卡具, ,施加載荷時要求不滑動施加載荷時要求不滑動, ,掛鉤端尺寸小于引線內(nèi)掛鉤端尺寸小于引線內(nèi) 部空隙且不易變形。部空隙且不易變形。 拉伸速度取拉伸速度取 1

37、0 mm/ min 10 mm/ min。 50 試驗結果評價試驗結果評價 一般取最大拉伸載荷作為評價參考值一般取最大拉伸載荷作為評價參考值, ,但是需要詳細但是需要詳細 說明接合部拉伸斷裂的部位說明接合部拉伸斷裂的部位, ,如斷裂發(fā)生在釬料內(nèi)如斷裂發(fā)生在釬料內(nèi) 部、引線、焊盤剝離等部、引線、焊盤剝離等 試驗關鍵：設計好掛鉤卡具的尖端形狀。試驗關鍵：設計好掛鉤卡具的尖端形狀。QFP QFP 器件的種器件的種類繁多且引線肩部的形狀和尺寸各不相同類繁多且引線肩部的形狀和尺寸各不相同, ,因此必須考因此必須考慮肩部引線的寬度和曲率設計掛鉤卡具的尖端形狀慮肩部引線的寬度和曲率設計掛鉤卡具的尖端形狀,

38、,使使卡具尖端能夠充分鉤住引線肩部?？ň呒舛四軌虺浞帚^住引線肩部。 掛鉤尖端尺寸過小：掛鉤尖端尺寸過?。?拉伸過程中鉤不住引線并滑脫掛鉤拉伸過程中鉤不住引線并滑脫掛鉤; ; 尖端尺寸過大：尖端尺寸過大： 拉伸過程中給引線施加附加的力拉伸過程中給引線施加附加的力, ,導致導致 結果產(chǎn)生誤差。結果產(chǎn)生誤差。 513 3） 片式元器件軟釬焊接頭剪切試驗方法片式元器件軟釬焊接頭剪切試驗方法 試驗方法：采用加壓剪切試驗機試驗方法：采用加壓剪切試驗機( (萬能試驗機萬能試驗機) )壓力卡具的前端為直壓力卡具的前端為直徑徑0. 5 mm0. 5 mm端子；端子；剪切卡具對準器件的剪切卡具對準器件的中心軸線并

39、保證卡具中心軸線并保證卡具與器件垂直與器件垂直, ,卡具與卡具與基板的間隙距離為器基板的間隙距離為器件厚度的件厚度的1/4;1/4;實驗中避免卡具對器實驗中避免卡具對器件的沖擊件的沖擊, ,卡具的移卡具的移動速度一般取為動速度一般取為5 5 mm/ minmm/ min30 mm/ 30 mm/ minmin。 52 試驗結果評價試驗結果評價 一般取最大加壓載荷作為評價參考值一般取最大加壓載荷作為評價參考值, ,但是需詳細說明但是需詳細說明接合部剪切斷裂的部位接合部剪切斷裂的部位, ,如斷裂發(fā)生在釬料內(nèi)部、如斷裂發(fā)生在釬料內(nèi)部、 界面處、芯片器件等。界面處、芯片器件等。試驗關鍵：卡具的形狀、卡

40、具與器件的相對位置、卡具試驗關鍵：卡具的形狀、卡具與器件的相對位置、卡具的移動速度；的移動速度； 卡具與基板間隙值過大：卡具將給器件額外的較大卡具與基板間隙值過大：卡具將給器件額外的較大扭矩，降低實際剪切強度；扭矩，降低實際剪切強度； 卡具在器件的中心對稱線上移動卡具在器件的中心對稱線上移動, ,否則由于器件兩端否則由于器件兩端焊點承受的力不同，嚴重影響試驗結果。焊點承受的力不同，嚴重影響試驗結果。534. 4. 引線鍵合的拉伸強度引線鍵合的拉伸強度 試驗方法：（不超過試驗方法：（不超過2g2gs s的恒速率垂直上拉）的恒速率垂直上拉） 2sintFF54 斷裂位置斷裂位置 實際上很多情況是實

41、際上很多情況是E E處焊接最弱，損壞的可能最大。處焊接最弱，損壞的可能最大。55 5. 5. 芯片粘接（或焊接）強度的測量方法芯片粘接（或焊接）強度的測量方法 芯片良好粘接芯片良好粘接( (焊接焊接) )的標準的標準 芯片粘接芯片粘接( (或焊接或焊接) )強度良好：強度良好： 芯片推碎了，粘接芯片推碎了，粘接( (焊接焊接) )處良好處良好 56 電參數(shù)測試法（芯片與底座導電性連接）電參數(shù)測試法（芯片與底座導電性連接）1 1）導電性連接：焊接、低溫銀漿粘接、導電膠粘接；）導電性連接：焊接、低溫銀漿粘接、導電膠粘接；2 2）導電性粘接）導電性粘接( (或焊接或焊接) )好壞主要影響器件的熱阻和

42、飽和壓好壞主要影響器件的熱阻和飽和壓降，所以對這類連接的器件，芯片與底座粘接降，所以對這類連接的器件，芯片與底座粘接( (或焊接或焊接) )好好壞的檢查方法可以通過測試晶體管的飽和壓降來無損地檢壞的檢查方法可以通過測試晶體管的飽和壓降來無損地檢測焊接（粘接）的質(zhì)量。測焊接（粘接）的質(zhì)量。3 3）如果飽和壓降偏大，一般來說芯片都沒有粘）如果飽和壓降偏大，一般來說芯片都沒有粘( (焊焊) )牢，有牢，有的甚至一推就脫落了。的甚至一推就脫落了。 57 推力試驗法（芯片與底座是非導電性連接）推力試驗法（芯片與底座是非導電性連接） 1 1） 非導電性連接：環(huán)氧樹脂粘接非導電性連接：環(huán)氧樹脂粘接 測量時，

43、推刀垂直靠在被測芯片邊緣，推刀作切向運動，芯測量時，推刀垂直靠在被測芯片邊緣，推刀作切向運動，芯片被推掉時推力計上指示的讀數(shù)數(shù)即是芯片粘接（焊接片被推掉時推力計上指示的讀數(shù)數(shù)即是芯片粘接（焊接) )強強度。度。582 2） 芯片共晶焊的美國軍用標準芯片共晶焊的美國軍用標準883B883B方法方法20192019、I I、的、的 最小推力與芯片面積的關系曲線。最小推力與芯片面積的關系曲線。 59 芯片粘接芯片粘接( (或焊接或焊接) )的熱疲勞強度影響因素的熱疲勞強度影響因素 1 1）芯片與底座之間空隙的大??；）芯片與底座之間空隙的大小；2 2）釬料輪廓的形狀；）釬料輪廓的形狀；3 3）是否有氧

44、化物或脆性金屬間化合物存在；）是否有氧化物或脆性金屬間化合物存在；4 4）冷卻速度的變化；）冷卻速度的變化；5 5）摻雜物的種類及含量的變化而導致焊料晶粒大小或）摻雜物的種類及含量的變化而導致焊料晶粒大小或 形狀的不同。形狀的不同。60 芯片與載體基板間焊料的最大熱剪切形變：芯片與載體基板間焊料的最大熱剪切形變： /2SDTt D D芯片對角線尺寸；芯片對角線尺寸；t t焊料厚度；焊料厚度；TmaxTmax為器件試驗的最高溫度；為器件試驗的最高溫度；TminTmin為器件試驗的最低溫度（如為器件試驗的最低溫度（如5555）maxminTTT熱形變是直接與芯片大小有關；在溫度循環(huán)中則熱形變是直接

45、與芯片大小有關；在溫度循環(huán)中則要么是焊料強度大于芯片強度而使芯片碎裂，要要么是焊料強度大于芯片強度而使芯片碎裂，要么是使焊料屈服。么是使焊料屈服。 61 器件失效的循環(huán)壽命器件失效的循環(huán)壽命 (KnnfmNS次數(shù)）m為釬料的最大剪切形變?yōu)殁F料的最大剪切形變 1 1）用）用PbPb和和SnSn系焊料的器件失效率比用系焊料的器件失效率比用AuSnAuSn焊料的器件焊料的器件 明顯高些。而明顯高些。而PbPb系焊料又比系焊料又比S nS n系可靠性好些。系可靠性好些。2 2）導電膠粘接、銀漿及環(huán)氧粘接比上述焊料差）導電膠粘接、銀漿及環(huán)氧粘接比上述焊料差些。些。3 3）SnSb(10SnSb(10)A

46、g(25)Ag(25) )等等S nS n系焊料在焊接時會與芯系焊料在焊接時會與芯 片背面或管殼上的金層反應，形成一種片背面或管殼上的金層反應，形成一種AuSn4AuSn4相而使熱相而使熱 疲勞強度下降。因此這類焊料不宜用于芯片背面和管疲勞強度下降。因此這類焊料不宜用于芯片背面和管 殼上有金層的情況。殼上有金層的情況。626. 6. 微壓痕法基于微小焊點本身的強度測量方法微壓痕法基于微小焊點本身的強度測量方法 6.1 6.1 傳統(tǒng)傳統(tǒng)SMTSMT焊點可靠性評價過程中存在的問題焊點可靠性評價過程中存在的問題 力學性能本構方程焊點應力應變FEMSMT焊點熱疲勞壽命SMT焊點失效分析63釬料合金的本

47、構方程中的力學性能參數(shù)是通過對鑄造體釬釬料合金的本構方程中的力學性能參數(shù)是通過對鑄造體釬料拉伸試樣或搭接接頭進行單軸拉伸或蠕變試驗而得；料拉伸試樣或搭接接頭進行單軸拉伸或蠕變試驗而得； 常規(guī)力學實驗的對象材料是鑄態(tài)，鑄態(tài)釬料有均勻的組織常規(guī)力學實驗的對象材料是鑄態(tài)，鑄態(tài)釬料有均勻的組織 BGA BGA、CSPCSP等面封裝的重要特征是焊點尺寸的微型化，等面封裝的重要特征是焊點尺寸的微型化， BGABGA焊點的半徑已經(jīng)達到焊點的半徑已經(jīng)達到0.1 mm0.1 mm的量級，從而對微連接焊的量級，從而對微連接焊 點力學可靠性的評價提出了新的課題：微小體積焊點的力點力學可靠性的評價提出了新的課題：微小

48、體積焊點的力 學行為與大尺寸體釬料合金的力學行為是否一致，即焊點學行為與大尺寸體釬料合金的力學行為是否一致，即焊點 尺寸效應對釬料合金本構方程的影響；尺寸效應對釬料合金本構方程的影響； 實際焊點是軟釬焊態(tài)，即固態(tài)釬料經(jīng)過了一次熔化和再凝實際焊點是軟釬焊態(tài)，即固態(tài)釬料經(jīng)過了一次熔化和再凝 固，并且由于界面處固，并且由于界面處IMCIMC的形成使得焊點呈層狀分布，即的形成使得焊點呈層狀分布，即 IMCIMC釬料釬料IMCIMC。64 PBGA PBGA（Plastic Ball Grid ArrayPlastic Ball Grid Array）尺寸：）尺寸：65 尺寸效應與釬料的力學性能尺寸效應與釬料的力學性能( (蠕變性能）蠕變性能）釬料尺寸對釬料力學性能的影響：釬料尺寸對釬料力學性能的影響：2525倍倍12.3mm V = 1.8 mm3540mm V = 785 mm3 釬料：釬料：Sn60Pb40Sn60Pb40蠕變速率：蠕變速率：5N/mm5N/mm2 2試驗溫度：試驗溫度：22Deg. 22Deg. 66 尺寸效應與釬料的力學性能尺寸效應與釬料的力學性能( (拉伸性能）拉伸性能） 大小尺寸試樣應變速率與拉伸強度關系大小尺寸試樣應變速率與拉伸強度關系67 搭接接頭與塊體釬料疲勞壽命關系搭接接頭與塊體釬