【正文】 失效焊點(diǎn)斷口表面主要有表征疲勞斷裂的疲勞裂紋和表征蠕變斷裂的沿晶裂紋﹐說(shuō)明焊點(diǎn)失效為蠕變 疲勞作用的結(jié)果。 因此﹐基于設(shè)計(jì)和控制 SMT焊點(diǎn)形態(tài)是提高 SMT焊點(diǎn)可靠性的重要途徑的思想﹐在進(jìn)一步完善焊點(diǎn)形成及焊點(diǎn)可靠性分析理論基礎(chǔ)上﹐實(shí)現(xiàn)了焊點(diǎn)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)到焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)﹐直至焊點(diǎn)可靠性分析的集成過(guò)程﹐實(shí)現(xiàn) SMT焊點(diǎn)形態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)﹐并建立實(shí)用化 SMT焊點(diǎn)形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)﹐對(duì)于減少 SMT產(chǎn)品決策實(shí)驗(yàn)工作量﹐提高決策效率和工藝設(shè)計(jì)水平﹐保證 SMT焊點(diǎn)的可靠性具有重要的技術(shù)﹑經(jīng)濟(jì)意義。因此﹐焊點(diǎn)可靠性問(wèn)題尤其是焊點(diǎn)的熱循環(huán)失效問(wèn)題是表面組裝技術(shù)中丞待解決的重大課題。 SMT焊點(diǎn)可靠性研究 前言 近幾年﹐隨著支配電子產(chǎn)品飛速發(fā)展的高新型微電子組裝技術(shù) 表面組裝技術(shù) (SMT)的飛速發(fā)展﹐ SMT焊點(diǎn)可靠性問(wèn)題成為普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。 80年代以來(lái)﹐隨著電子產(chǎn)品集成水平的提高 ,各種形式﹑各種尺寸的電子封裝器件不斷推出﹐使得電子封裝產(chǎn)品在設(shè)計(jì)﹑生產(chǎn)過(guò)程中 ,面臨如何合理地選擇焊盤(pán)圖形﹑焊點(diǎn)鉛料量以及如何保證焊點(diǎn)質(zhì)量等問(wèn)題。 1．問(wèn)題描述 SMT 及其焊點(diǎn)失效 表面組裝技術(shù) (Surface Mount Technology)簡(jiǎn)稱(chēng) SMT是通過(guò)再流焊﹑氣相焊或波峰焊等軟鉛焊方法將電子組件貼裝在印制板表面或基板上的微電子組裝技術(shù)。 SMT焊點(diǎn)在服役條件下的可靠性問(wèn)題﹐即在熱循環(huán)或功率循環(huán)中﹐由于芯片載體與基 板之間的熱膨脹失配所導(dǎo)致的焊點(diǎn)的蠕變疲勞失效問(wèn)題﹐是 SMT領(lǐng)域丞待解決的重要問(wèn)題﹐下文所指的 SMT焊點(diǎn)可靠性即為 SMT焊點(diǎn)在服役條件下的可靠性。目前存在的焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)方法﹐很難檢測(cè)尺寸本來(lái)就十分微小的 SMT焊點(diǎn)內(nèi)部的更加微小的缺陷﹐因此﹐關(guān)于缺陷對(duì) SMT焊點(diǎn)可靠性影響的理論研究少有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。 如圖 4是 84I/O非城堡型 LCCC焊點(diǎn)的剪切性能在 25℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果。目前﹐焊點(diǎn)形態(tài)對(duì)可靠性的影響規(guī)律尚不清楚﹐有待于進(jìn)一步完善。 進(jìn)行 SMT焊點(diǎn)形態(tài)優(yōu)化的計(jì)算器輔助設(shè) 計(jì)﹐可以把關(guān)于焊點(diǎn)形成的數(shù)值仿真﹑焊點(diǎn)力學(xué)性能的有限元分析以及焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)集成起來(lái)﹐形成一完整的 SMT焊點(diǎn)形態(tài)優(yōu)化體系。但一般用于焊點(diǎn)形態(tài)簡(jiǎn)單﹐易于描述為數(shù)學(xué)微分方程的焊點(diǎn)類(lèi)型。 隨著柵陣組裝 (如 FC,BGA)﹐在高精度電子產(chǎn)品組裝中的廣泛應(yīng)用與發(fā)展﹐軸對(duì)稱(chēng)焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)取得了許多進(jìn)展。 97年﹐ Elkouh等人基于鉛料在焊盤(pán)表面完全潤(rùn)濕鋪展﹐潤(rùn)濕角小于 90度等假設(shè)條件﹐分別對(duì)通孔組裝 (THT)板上和板下焊點(diǎn)建立受力平衡方程﹐給出了以無(wú)量綱參數(shù)表達(dá)的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)﹐焊點(diǎn)形態(tài)的變化規(guī)律。在參數(shù)有限 元形態(tài)模型中﹐焊點(diǎn)表面離散為多個(gè)有限單元﹐描述每個(gè)單元形狀函數(shù)為有關(guān)形狀參數(shù) (如單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)等 )的函數(shù)﹐根據(jù)邊界﹑體積約束及能量最小的約束條件﹐確定三相系統(tǒng)能量達(dá)到最小值時(shí)形狀函數(shù)中的有關(guān)參數(shù)值﹐從而預(yù)測(cè)焊點(diǎn)形態(tài)。 Dorn方程描述 SnPb鉛料的穩(wěn)態(tài)蠕變規(guī)律﹐分析了鉛料的應(yīng)力構(gòu)弛﹐冪指數(shù)型的 Dorn方程可描述為﹕ 式中﹐ε 蠕變應(yīng)變率﹐σ 有效應(yīng)力﹐ A常數(shù)﹐ b泊氏矢量﹐ d晶粒尺寸﹐ n應(yīng)力指數(shù)﹐ p晶粒尺寸指數(shù)﹐ G剪切模量﹐ KBoltxman常數(shù)﹐ D擴(kuò)散系數(shù)﹐D=Doexp(Q/RT),Q 蠕變激活能﹐ R氣體常數(shù)﹐ T溫度 (K)。其采用的統(tǒng)一粘塑性方程如下﹕ 1996年﹐ Skipor對(duì)共晶鉛料的單向力學(xué)響應(yīng)時(shí)行了研究﹐其本構(gòu)模型的建立基于統(tǒng)一粘塑性的 BodnerPartom方程。因?yàn)槲墨I(xiàn)中根據(jù)不同的本構(gòu)模型得出的決定疲勞壽 命的主宰因素如塑性應(yīng)變范圍﹑蠕變應(yīng)變范圍或總應(yīng)變范圍不同﹐因此﹐關(guān)于 Mansoncoffin方程預(yù)測(cè)結(jié)果的精確性存在著爭(zhēng)議。因此﹐根據(jù)表面單元函數(shù)﹐描述焊點(diǎn)表面輪廓 曲線為鉛料球直徑及焊盤(pán)直徑的二元函數(shù)﹐建立在表面張力﹑重力及外作用力下的系統(tǒng)能量 方程﹐求解系統(tǒng)能量最小的時(shí)焊點(diǎn)形態(tài)﹐在形態(tài)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上﹐由焊點(diǎn)內(nèi)部網(wǎng) 格﹐進(jìn)行焊點(diǎn)的力學(xué)分析﹐與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合預(yù)測(cè)了焊點(diǎn)的疲勞壽命。對(duì)于其它較復(fù)雜的焊點(diǎn)如 LCCC焊點(diǎn)﹐多采用基于最小能量原理的有限元方法﹐在邊界約束﹑能量約束的建立方面仍存在問(wèn)題。 焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)與焊點(diǎn)可靠性理論分析尚未友好集成﹐因?yàn)椹o一方面﹐焊 點(diǎn)力學(xué)模型與焊 點(diǎn)形態(tài)模型不統(tǒng)一﹐即進(jìn)行焊點(diǎn)力學(xué)性能分析時(shí)﹐需要用戶(hù)重新構(gòu)造力學(xué)模型﹔另一方面﹐ 在傳統(tǒng)大型有限元軟件中﹐ SnPb鉛料粘塑性本構(gòu)關(guān)系尚無(wú)成型描述﹐需要有經(jīng)驗(yàn)的用戶(hù)建立。 但是﹐這種焊點(diǎn)形態(tài)優(yōu)化方法只局限于 BGA﹑ FC等軸對(duì)稱(chēng)焊點(diǎn)﹐對(duì)于表面形態(tài)較復(fù)雜的焊點(diǎn)仍無(wú)能為力。 Bilgic等人提出了預(yù)測(cè)焊點(diǎn)疲勞壽命的體積平均法﹐即通過(guò)計(jì)算一個(gè)熱循環(huán)中焊點(diǎn)內(nèi)平均單元體積的應(yīng)變能﹐求解出整個(gè)焊點(diǎn)的應(yīng)變能作為判據(jù)﹐預(yù)測(cè)焊點(diǎn)的疲勞壽命﹐其通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出的焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式如下﹕ W0,K疲勞系數(shù)﹐ Wav平均單元體積能量﹐ V單元體積。 焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè) 研究表明﹐ SMT焊點(diǎn)失效為低周疲勞失效。 此外﹐ Norton型蠕變定律對(duì) BGA焊點(diǎn)的變形行