微电子器件的软钎焊及表面组装技术课件.ppt
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第八节 SMT焊点的可靠性问题 一、 失效机制 研究结果表明,SMT焊点的失效主要有力学和金属学两方面原因。 SMT焊点的结构形式决定了一薄层韧性的软钎料合金在变形过程中要受到周围刚性/弹性基板的约束,从而在焊点界面处形成较高的应力三轴度,并引发界面空洞损伤失效(见图4-27)。 图4-27 承受-55-+125温度循环载荷后SMT焊点断口 第八节 SMT焊点的可靠性问题 金属学方面,Sn-Pb软钎料合金中的Sn可与印制电路板上的Cu焊盘之间形成金属间化合物Cu6Sn5。和Cu3Sn,这种金属间化合物的形成是实现连接的基础,但其对焊点可靠性又有着负面影响。研究结果表明,随着Cu-Sn金属间化合物层厚度的增加,SMT焊点的热疲劳寿命降低(见表 4-18) 表4-18 不同金属间化合物层厚度SMT焊点的疲劳寿命 第八节 SMT焊点的可靠性问题 二、改善途径 改善SMT焊点的可靠性,提高其服役寿命是一个非常复杂的问题,它涉及到材料学、力学、新工艺、新技术的开发等众多领域(见图4-28),归纳起来,大体上有以下几个方面: 图4-28 SMT焊点可靠性问题的研究内容 第八节 SMT焊点的可靠性问题 1)改善焊点几何结构焊点形态的优化设计。SMT焊点尺寸细小的特点使得焊点几何形状的微小变化将引起其力学性能相当大的变化。在深入研究焊点成形机理的基础上,通过控制钎焊焊接参数,如焊盘尺寸、焊点高度、钎料合金量等,可以获得预期的焊点几何形态。 焊点的大小及形状不同,其承载能力也将不同,这是显而易见的,不同的几何结构将使焊点在承载时内部的应力分布不同,其应变程度也不同。因而,焊点的几何结构直接关系到其热循环寿命。 N.Brady等人考察了25密尔(1mil=25.4x10-6m)间距的QFPL型形引线焊点形态对强度的影响,得到如下经验公式。 N=2.1X1-0.58X2十6.2X3+2.6X4十2.1X5 (4-4) 其中Xi(i=1,2,3,4,5,)是焊点形态参数,如图3-29所示。研究认为,各形态参数中焊点根部圆角高度(X3),圆角的曲率半径(X4)和圆角的长度(X5)是影响焊点拉伸强度的重要参数。 第八节 SMT焊点的可靠性问题 图4-29 QFPL型形引线焊点二维形态参数 第八节 SMT焊点的可靠性问题 W.M sherry等人对 84I/O非城堡型 LCCC焊点的剪切性能进行了试验研究,结果表明,对于 D、G、B三种焊点形态(见图4-30),其剪切性能不同,B形的焊点在室温下的剪切性能最好。并且焊点形态对剪切破断位置也有影响,对于D形焊点。剪切破断发生于下界而(钎料与陶瓷界面)附近,而对于B形和G形焊点,剪切破断则发生于下界面(钎料与基板界面)附近. 图4-30 非城堡型LCCC焊点的剪切性能 第八节 SMT焊点的可靠性问题 王国忠对带有边堡的无引线 SMT焊点的形态问题进行了详细的理论分析和实验研究,得到了焊盘伸出长度。间隙高度和钎料量变化所造成的焊点形状变化与其热循环寿命的关系,指出平型或微凸型焊点的热循环寿命是最高的,大约是凹型焊点寿命的5倍(见图4-31),并且不同形态的焊点,其断裂所发生的位置也不同(见图4-32)。 图4-31 焊点形状变化与其热循环寿命关系 图4-32 焊点热循环失效裂纹扩展路径模式 第八节 SMT焊点的可靠性问题 2)研制高可靠性软钎料 SMT焊点失效是特定载荷条件下钎料的蠕变一疲劳断裂问题,因此钎料的性能对焊点的可靠性有决定性的影响,研制高可靠性的钎料对提高SMT焊点的可靠性、推动SMT的广泛应用无疑具有重要的意义。 目前最常用的 Sued/Po软钎料的热循环寿命并不高,在经受-55℃-+125℃周期为 1小时的热循环时,大约在100周期后,焊点即告断裂失效。表4-19给出了几种软钎料的焊点热循环寿命与SnP共晶钎料的相对比较结果。可以看出,不同成分的软钎料,其热循环寿命是不同的。Sn-Ag软钎料的热循环寿命很高,但其所带来的问题一是含w(Ag)4%使成本提高,二是软钎料熔点升高(232T),不易为现行的各种表面组装工艺所接受,因而应用到了限制。 表4-19 几种软钎料合金的抗疲劳性 第八节 SMT焊点的可靠性问题 近期,朱颖等人对用混合稀土改性的60Sn/40Pb钎料进行了深人研究,发现微量ce-La混合稀土的加人就可以起到细化晶粒,强化晶界,提高晶内抗变形能力的作用。改性后的SnPb钎料工艺性能无明显变化,而焊点的热循环寿命则可提高3倍。 3)开发CTE匹配材料 基板和芯片载体材料的膨胀系数(CTE)差异是热循环过程中应力产生的主要原因,因此,研制新型的基板和芯片载体材料,使其热膨胀系数相匹配,就可以减小应力的幅
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