電子組件焊點(diǎn)疲勞壽命試驗(yàn)研究

電子組件焊點(diǎn)疲勞壽命試驗(yàn)研究

焊接的可靠性一直是表面安裝技術(shù)中最重要的問題之一。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化(如環(huán)境溫度的周期性起伏)或元件本身功率發(fā)熱(電源的周期性通斷)時(shí),造成表面貼裝元件、PCB和釬料之間的熱膨脹系數(shù)失配,使得焊點(diǎn)的熱疲勞成為電子產(chǎn)品的常見的失效模式之一。焊點(diǎn)的失效一方面來源于生產(chǎn)裝配中的焊接故障,如釬料橋連、虛焊、曼哈頓現(xiàn)象等;另一方面是在服役條件下,當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),由于元器件與基板材料存在的熱膨脹系數(shù)差,在焊點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力,應(yīng)力的周期性變化會(huì)造成焊點(diǎn)的疲勞損傷,同時(shí)相對(duì)于服役環(huán)境的溫度,SnPb釬料的熔點(diǎn)較低,隨著時(shí)間的延續(xù),產(chǎn)生明顯的粘性行為,導(dǎo)致焊點(diǎn)的蠕變損傷。在確定焊接工藝、設(shè)備的前提下,焊點(diǎn)可靠性問題主要是焊點(diǎn)在服役條件下的蠕變疲勞問題。研究表明,焊點(diǎn)的失效與材料的熱膨脹系數(shù)匹配情況,焊點(diǎn)內(nèi)部釬料的顯微結(jié)構(gòu)、空洞及金屬間化合物的生長等密切相關(guān)。1影響焊接可靠性的主要因素是焊接可靠性的主要因素1.1焊接接頭的力學(xué)應(yīng)變一般認(rèn)為,材料熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致了軟釬焊接頭在溫度循環(huán)時(shí)的力學(xué)應(yīng)變,增大了釬料顯微組織結(jié)構(gòu)的局部粗化,導(dǎo)致在弱區(qū)和富Pb區(qū)出現(xiàn)裂紋的傾向增大。1.2與熱循環(huán)中焊點(diǎn)斷裂的關(guān)系在溫度循環(huán)中,一種潛在的失效機(jī)制是Pb-Sn合金沿著富Pb區(qū)和富Sn區(qū)界面斷裂,盡管軟釬焊互連焊點(diǎn)斷裂經(jīng)常是由于熱膨脹率不匹配造成,但是PbSn合金微觀組織特定的物理特征也與熱循環(huán)中焊點(diǎn)斷裂密切相關(guān),可作為互連質(zhì)量和溫度循環(huán)過程中焊點(diǎn)可靠性指標(biāo)。1.3軟焊接接頭斷裂系空洞的產(chǎn)生是不可避免的,空洞對(duì)焊點(diǎn)的影響,一種觀點(diǎn)認(rèn)為空洞處產(chǎn)生應(yīng)力集中,還會(huì)改變應(yīng)力作用方式,將使疲勞壽命大大降低。另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為軟釬焊接頭中均勻分布的小空洞不僅會(huì)阻止裂紋,而且能改變裂紋的擴(kuò)展途徑,使裂紋從比較敏感的開裂區(qū)移開。宏觀上是空洞,微觀上是空穴。一般認(rèn)為空穴對(duì)裂紋的擴(kuò)展起促進(jìn)作用,因?yàn)樗饕赦F料的蠕變引起,蠕變導(dǎo)致晶界滑移和晶界邊緣的空穴,使之成為應(yīng)力集中的地方而加速裂紋的擴(kuò)展。1.4同一的化合物層在釬焊的過程中,內(nèi)部金屬互相混合,逐漸形成一個(gè)與釬料主體合金不同的化合物層,這層化合物的硬度和脆性較大,使應(yīng)力主要集中到釬料和化合物層的界面上,并且這種化合物層的厚度隨溫度的升高和加熱時(shí)間的增加而增大。一般認(rèn)為,脆性金屬間化合物的生長對(duì)抗疲勞是不利的。2試驗(yàn)計(jì)劃2.1焊接模板的尺寸試驗(yàn)?zāi)康?釬料量是主要通過模板的厚度和開孔大小來控制的。本試驗(yàn)對(duì)于兩類焊點(diǎn),首先不改變焊盤和引線的尺寸,把釬料量劃分為3種,按A、B、C依次增加,D、E、F則改變焊盤的形狀和寬度。根據(jù)釬料量來設(shè)計(jì)模板的開孔尺寸。然而,在模板印刷時(shí),刮刀的壓力及印刷的速度也會(huì)影響釬料的施放量;而且在焊接過程中,非金屬部分如釬劑會(huì)發(fā)生揮發(fā)。試驗(yàn)設(shè)計(jì):采用云錫愛法生產(chǎn)的焊膏Sn62Pb36Ag2,計(jì)算得到焊盤與模板設(shè)計(jì)見表1、表2。2.2試驗(yàn)周期和試驗(yàn)效果試驗(yàn)過程:按照美國軍標(biāo)MIL-STD-883E-1010.7.B設(shè)定溫度曲線如圖1所示,即溫度范圍為-55℃～125℃,高低溫各保溫10min,升降溫時(shí)間均為5min,一個(gè)溫度循環(huán)周期為1800s。盡管在這種規(guī)則的連續(xù)的高頻變溫條件下,焊點(diǎn)的疲勞壽命會(huì)遠(yuǎn)小于實(shí)際服役條件下的工作壽命,但仍可有效驗(yàn)證焊點(diǎn)可靠性,如采用真實(shí)條件進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn),試驗(yàn)周期較長,需要很大的試驗(yàn)消耗。采用金相剖面觀察焊點(diǎn)的橫截面,如出現(xiàn)裂紋認(rèn)為焊點(diǎn)失效,并觀察焊點(diǎn)的失效模式。進(jìn)行溫度循環(huán)測(cè)試的元件,從600周期開始觀察,以后800周期、1000周期、1200周期、1300周期、1400周期、1500周期、1600周期各觀察一次,每次取出試樣做金相剖面分析,觀察裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展情況。3不同的焊點(diǎn)形態(tài)對(duì)溫度循環(huán)疲勞壽命的影響鑒于不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)(焊盤尺寸等)及釬料量(由模板厚度及開孔尺寸控制)會(huì)形成不同的焊點(diǎn)形態(tài),而不同的焊點(diǎn)形態(tài)其溫度循環(huán)疲勞壽命也不相同。本試驗(yàn)首先要通過觀察分析找到焊點(diǎn)形態(tài)與結(jié)構(gòu)參數(shù)及釬料量之間的關(guān)系,然后再通過溫度循環(huán)試驗(yàn)得到焊點(diǎn)可靠性與結(jié)構(gòu)參數(shù)及釬料量之間的關(guān)系,進(jìn)而找到焊點(diǎn)形態(tài)與溫度循環(huán)疲勞壽命之間的關(guān)系。這樣就可以通過控制各參數(shù)來控制焊點(diǎn)質(zhì)量的目的。3.1表面安裝設(shè)備smd焊接點(diǎn)損失分析3.1.1qfp元件l形0.對(duì)于PLCC元件J形引線焊點(diǎn),如圖2所示,固定焊盤尺寸,隨著釬料量的增加,引線根部釬料量增加較明顯,釬料在引線根部一側(cè)的爬升高度及在焊盤上的鋪展面積增加,造成引線兩側(cè)焊點(diǎn)形態(tài)差別較大。而且由于釬料的流動(dòng)性和工藝曲線等因素的影響,在釬料內(nèi)部避免不了有氣孔的存在。而對(duì)QFP元件L形引線焊點(diǎn)來講,如圖3所示,規(guī)律基本與J形引線焊點(diǎn)相同。雖然焊點(diǎn)的根部和趾部處都隨釬料量增加而增加,但根部增加較為明顯。3.1.2焊點(diǎn)及其它細(xì)化的程度如圖4所示,從循環(huán)結(jié)束時(shí)和初始狀態(tài)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),由于溫度循環(huán)和應(yīng)力應(yīng)變的共同作用使得焊點(diǎn)的顯微組織發(fā)生了比較明顯的粗化。應(yīng)注意到的一點(diǎn)是,如圖5所示,同一焊點(diǎn)左右部分粗化程度也有不同。這可能是因?yàn)樵谀痰倪^程中,釬料量較大的一側(cè)焊點(diǎn),冷卻的速度較慢,形成較大的一次枝晶,故而組織較為粗大。而且經(jīng)過溫度循環(huán)以后靠近引線和焊盤界面局部處的晶粒普遍要比內(nèi)部的組織粗大一些,這說明應(yīng)力應(yīng)變集中可能促進(jìn)了組織的粗化。3.1.3引線及焊接界面裂紋的能譜分析當(dāng)熔融的焊料與焊盤或引線相接觸時(shí),在界面會(huì)形成金屬間化合物(IMC),其厚度取決于焊料的回流溫度及時(shí)間,并且在后期的保存及使用過程中也會(huì)不斷生長。界面處的金屬間化合物雖然是焊接良好的一個(gè)標(biāo)志,但由于本身性質(zhì)較脆與釬料之間微觀結(jié)構(gòu)的失配以及在生長過程中伴隨著Kirkendall孔洞的生成,過厚的IMC層往往會(huì)降低焊點(diǎn)的強(qiáng)度及抗低周疲勞能力。對(duì)于引線和釬料之間的界面,如圖6所示,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,在引線和釬料的界面處聚集的富鉛相的量不斷地增加,在1400周期左右已經(jīng)聚集成為一個(gè)比較連續(xù)的帶狀富鉛相,經(jīng)過1600周溫度循環(huán)之后,連續(xù)的富鉛相已經(jīng)撕裂開形成較大的宏觀裂紋。由EDX能譜分析可知釬料中的Sn與引線中的Cu發(fā)生反應(yīng)主要生成的金屬間化合物為Cu6Sn5如圖7所示。而且從斷裂方式上來看,由于金屬間化合物本身具有較高的硬度和脆性,在應(yīng)力作用下不能與釬料基體協(xié)調(diào)變形,造成金屬間化合物和釬料的界面對(duì)應(yīng)力十分敏感,使位錯(cuò)和空位逐漸在釬料內(nèi)部聚集形成裂紋。另外,普遍認(rèn)為富鉛相的剪切強(qiáng)度較低,因此裂紋主要在靠近引線界面IMC處的富鉛相一側(cè)形成并主要沿著靠近IMC界面處的富鉛相一側(cè)擴(kuò)展。3.1.4不同研磨量的j型索引焊接后1600周的溫度周期后的裂紋延伸模板厚度為0.15mm的三種釬料量的焊點(diǎn)溫度循環(huán)1600周后,如圖8所示,主要的失效部位為焊點(diǎn)的根部釬料與引線的界面處。3.2熱膨脹系數(shù)不匹配的局部失配如圖3引起一個(gè)有引線元件焊點(diǎn)內(nèi)部的變形有多種來源。這些來源主要可分為兩類,如圖9所示。(1)釬料隔開的兩種不同材料熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的整體失配(如元件和PCB之間);(2)兩種相鄰材料之間熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的局部失配(如引線和釬料之間)。在溫度循環(huán)過程中,較快的溫度轉(zhuǎn)變導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。溫度循環(huán)過程造成由拉、壓應(yīng)力和蠕變疲勞控制的多軸應(yīng)力狀態(tài)。通常認(rèn)為主要的應(yīng)力應(yīng)變來源是來自元件和PCB之間的熱膨脹系數(shù)整體失配,但由于引線的柔韌性,整體失配帶來的應(yīng)變可以大部分被引線所吸收,所以可以認(rèn)為引線和釬料以及釬料和焊盤之間的熱膨脹系數(shù)局部失配帶來的應(yīng)力應(yīng)變是造成焊點(diǎn)失效的一個(gè)主要來源。4