基于SMT生產的無鉛焊點技術應用

展亞鴿

【摘? 要】基于現有的SMT生產線，制作樣件，然后借助合作單位設備進行熱循環實驗和隨機振動實驗，通過X射線檢查和金相切片來驗證焊點可靠性，分析無鉛焊點失效機理。

【關鍵詞】SMT;無鉛焊點;應用

元器件與印制電路板之間主要是通過焊點來實現互聯的，焊點的可靠性直接關系到SMT產品的使用壽命。目前在失效的微電子產品中，焊點失效是主要原因。無鉛焊點的失效一方面來源于生產裝配工序中的焊接故障。隨著無鉛要求焊接溫度的增加，對生產工藝控制要求越來越嚴格，少有疏忽焊接缺陷就會增加。

電子裝聯的可制造性設計是一個全新的設計理念，主要解決電路設計和工藝制造之間的接口問題，也就是如何使電路設計具有可制造性，特別是在產品已成為商品的市場經濟條件下，從某種意義上來講“設計要為制造而設計”，強化了電子裝聯的可制造性。電子裝聯的可制造性設計不單純的局限于印刷電路板組裝件，包含了很多領域的東西。

電子產品的裝配與機械產品的裝配有著顯著的區別 ：一方面電子產品 的結構 較機械產品 的結構 簡單 ， 更多地表現為元器件的裝配;另一方面電子裝配作業 的自動化程度明顯高于機械產品裝配。這方面以印制 電路板裝配為代表， 由于通孔插裝技術尤其是表面貼裝技術的應用， 大部分裝配工序都 可以由機器完成 ， 大幅度提高了裝配作業的自動化水平。

在電子產品裝配過程中，焊點的開路、短路、橋接、未焊以及元件丟失等缺陷可以通過電氣測試的方法進行檢測，而少錫、未對準、空洞等缺陷雖然可通過自動光學檢查（AOI）、自動 X 射線測試（AXI）這些覆蓋率比較高的方法來監測，但由于目前對裝配在印制電路板上的元器件（如 BGA）還沒有統一的接收標準，再加上大批量生產中對所有焊點都進行 AXI 檢查還存在瓶頸問題（無法檢測虛焊），因而這些隱蔽性比較強的缺陷，成為威脅電子產品可靠性的主要原因。比如當焊點內出現空洞時，空洞會引起應力集中，并改變焊點內部的應力分布，從而改變使用過程中焊點內部應力應變的大小和分布狀態，最終影響焊點的熱疲勞壽命。

另一方面失效原因是在元件服役過程中通斷電或環境溫度變化時，由于焊點和印制電路板、器件基底材料之間的熱膨脹系數不匹配而導致的交變熱應力，產生了焊點的塑性應變，另外器件各組成部分膨脹系數不匹配導致結構變形而施加給焊點變化的應力，應力逐漸累積，導致結合面裂紋產生、擴展，焊點失效。還有是在使用過程中，由于不可避免的沖擊、振動等造成焊點的機械損傷。另外在熱循環、振動和沖擊等外界環境綜合工況作用下，連接器件與PCB的焊點內部會產生周期性變化的彈性應變、塑性應變或蠕變，這些應力應變的逐漸積累使得焊點慢慢失效。焊點在實際工作過程中的失效過程一般為：應力應變導致變形→在薄弱區域裂紋萌生→沿著界面裂紋擴展→整體開裂失效。在熱循環、振動和沖擊等外界環境因素的影響下，焊點內會產生近似周期性的應力應變，從而誘發裂紋的形成與擴大，最終使得焊點的失效。一般情況下，焊點失效均在焊點與 IC 芯片的金屬化焊盤接合面，或與 PCB 焊盤結合面區域產生。研究表明，焊點與IC 芯片的金屬化焊盤接合面產生失效的情況占更大比例。

人們對電子產品追求微型化、薄型化、更高性能等要求永無止境，現有裝聯工藝技術終極發展對此有些無能為力，未來 電子元氣件、封裝、安裝等產業將發生重大變革，將由芯片封裝安裝→再到整機的由前決定后的垂直生產鏈體系，轉 變為前后彼此制約的平行生產鏈體系， 工藝技術路線也必將 作出重大調整，以適應生產鏈的變革;PCB、封裝和器件將融 合成一體，傳統的使用機械鑿刻（通過化學反應）最終達到非 常小尺度的工具不再有優勢。 電子裝聯工藝技術逐漸放棄以 往的工具、技術和模型，最終將沿著分子生物學的線索走向分子水平。

人們不斷要求電子設備輕薄短小、高性能、高功能，使得超小型便攜電子設備的需求急速增加，微組裝技術應此而生。 微組裝技術是在高密度多層互連基板上， 用微型焊接和封裝 工藝把構成電子電路的各種微型元器件 （集成電路芯片及片 式元件）組裝起來，形成高密度、高速度、高可靠、立體結構的 微電子產品（組件、部件、子系統、系統）的綜合性高技術。 微組 裝技術作為一種綜合性高技術，它涉及到物理學、化學、機械 學、光學及材料等諸多學科，集中了半導體 IC 制造技術、無源 元件制造技術、電路基板制造技術、材料加工技術以及自動化 控制等技術。 隨著高密度封裝的廣泛使用，促使電子裝聯技術 從設備到工藝都將向著適應精細化組裝的要求發展。

基于現有的 SMT 生產線，制作含有 BGA 器件的無鉛軍用電子模塊樣件，并通過 5DX-RayX 射線檢查儀，檢測出 BGA 無鉛焊點質量符合檢驗標準。借助合作單位設備對電子模塊進行熱循環實驗和隨機振動實驗，通過金相切片來驗證了在可靠性實驗后焊點情況依然良好，并未出現失效，為軍用電子產品中無鉛制程的使用提供了相關可 SMT 工藝和可靠性證據。

基于三維對角切條 BGA 無鉛焊點可靠性分析模型，對熱循環加載條件下的力學行為進行了有限元分析與熱疲勞壽命預測。結果表明：不同釬料合金、不同焊盤尺寸及不同網板尺寸下焊點內的應力應變分布情況基本一致，高應力應變區域分布相同。對于 BGA 封裝焊點，處于離 BGA 器件中心最遠的焊球與器件金屬化端接合面外邊緣處的應力應變最大，焊點的疲勞裂紋將首先在這一區域產生和擴展，然后沿著焊點與器件金屬化端接合面發展，最終擴展到整個接合面，導致焊點失效。不同的釬料有不同的適用場合，在不同場合選擇合適的無鉛釬料，可以使焊點的可靠性得到提高。焊盤尺寸設計對無鉛焊點可靠性有著顯著影響，在設計尺寸范圍內，焊盤尺寸設計越大，焊點承受應力越小，塑性形變越小，疲勞壽命越長，焊點越可靠。網板開口尺寸設計對無鉛焊點可靠性影響較小，但隨著網板尺寸加大，焊球體積增加，疲勞壽命有上升趨勢。

隨機振動加載條件下 BGA 陣列焊點內應力應變分布是不均勻的，不同釬料合金、不同焊盤尺寸及網板開口大小下焊點內的應力應變分布情況相同，高應力應變區域分布完全一致。BGA 陣列離中心最遠的兩端焊點為應力應變最大焊點，即最容易失效的焊點，焊點與 IC 器件焊盤接合面的外端邊緣部分為應力應變最大區域，是最容易產生疲勞失效的薄弱環節，也是焊點內部裂紋最容易萌生的位置。焊盤半徑變化對無鉛焊點可靠性有著顯著的影響，焊點疲勞壽命隨著焊盤半徑增加而增加。網板開口尺寸變化對無鉛焊點疲勞有一定影響，隨著網板開口尺寸增大，釬料體積增大，焊點疲勞壽命增加，但影響遠小于焊盤尺寸改變對焊點疲勞壽命的影響。所以，在可保證焊接質量情況下，適當增大焊盤和網板開口尺寸，可提高焊點的疲勞壽命。

單純地利用線性迭加規則并不能真實估計焊點的疲勞失效，通過獨立的分析，再利用Miner ′s 規則計算累積損傷，會相當程度地低估總累積操作。如何建立一種真實反映電子設備服役條件下疲勞壽命預測模型是后續研究的重點;對無鉛焊點有限元預測模型需進一步完善，對每種不同的軍用電子模塊、不同材料、及不同封裝類型焊點，建立符合實際產品的整體有限元模型，可以進一補提高提高可靠性預測精度。

參考文獻

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