跌落/振动冲击载荷下板级无铅焊点的可靠性研究

来源 :北京工业大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:JGTM2000
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目前电子封装技术发展主要集中在两个方面:绿色环保和高度集成化,对于合金钎料而言,在无铅的基础上保证焊膏无卤素要求,对器件而言,则要求小尺寸,高密度等。无卤素焊膏尽管国际市场上已有小部分应用,但是主要以标准要求内的低卤素含量为主,由于焊膏用助焊剂具有成分组成多样性和功能复杂性的特点,并且基于利益的考虑,商业保密度高,尤其国内无卤素无铅焊膏研究较少,作为焊膏未来的主要发展趋势,无铅无卤素焊膏用助焊剂配方比例有待于深入研究。针对板级无铅焊点的可靠性研究更多是基于理论基础研究,在结合市场评价需求方面仍然需要做大量工作。如:在研究焊点失效的过程中需关注对整个电子系统功能性的影响作用;在加载因素上应更多考虑实际市场使用环境;可靠性评价方面上应考虑成本问题,尤其对于寿命数据分析及可靠度问题上需提供更为方便的数据分析方法来满足不同可靠性条件下寿命分析要求。基于上述问题,在Sn-Ag-Cu系无卤素焊膏用助焊剂方面,以己二酸替代活性剂中卤素组分,成功研制一种无卤素助焊剂,组分(质量分数)为:36%溶剂、6%活性剂、5%表面活性剂、35%松香、9%保湿剂和9%添加剂;针对无卤素焊膏性能测试结果表明:焊球试验评定为1级,润湿性能评定为1级,抗塌陷性测试符合行业标准。在板级可靠性评价方面,首先,提出一种适用跌落/振动冲击测试环境下,板级焊点失效准则。裂纹的萌生扩展导致焊点电阻瞬间(<1ms)增加,从而引起电源动态输出下降,准则认为当电源动态输出降至为0时,焊点失效。其次,根据跌落/振动冲击载荷下板级焊点寿命特征,认为冲击加速度和平均寿命、标准差均符合指数关系:=12,σ=(6((7);建立基于不同跌落/振动冲击载荷下,寿命的条件概率密度分布曲面模型,用于板级焊点在跌落/振动冲击载荷下寿命分析及预测。第三,研究了不同跌落冲击条件下Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)板级焊点的失效模式,失效位置均集中在阵列焊点四周拐角金属间化合物(intermetallic compound,IMC)处,但失效机制各不相同:(1)单一低跌落冲击(300g)条件下,在承受超过10000次的跌落载荷后,导致PCB板发生塑性变形,在继续跌落冲击过程中,会增加印刷电路板(Printed circuit board,PCB)沿变形方向的挠曲,从而产生大幅值的拉压应力,导致IMC层处容易产生裂纹;(2)在经历热循环+跌落(1000g)顺序冲击载荷后,尽管第一顺序热循环阶段产生的交变应力导致靠近IMC层的基体处产生预裂纹,但不影响在承受跌落冲击载荷时裂纹扩展方向,仍以沿IMC层扩展为主,证明在跌落冲击载荷下,预裂纹对裂纹扩展方向的影响不显著,仍以跌落产生的拉压应力集中位置为主要作用因素;(3)在经历等温时效+跌落冲击(1000g)载荷后,在第一顺序等温时效阶段形成的柯肯达尔空洞对抗跌落性能影响显著,会加速裂纹沿IMC层扩展的速度,大幅度削减跌落寿命。第四,研究了不同振动冲击条件下的失效机制:(1)经历单一窄带正弦振动冲击(15g)载荷后,由于PCB板的塑性变形导致焊点沿IMC层的脆性断裂是主要失效模式,与300g跌落冲击载荷下失效模式类似;(2)经历热循环+窄带正弦振动顺序冲击载荷后,在经历第一顺序热循环时,裂纹沿靠近IMC层的基体处萌生,随后经历第二顺序窄带正弦振动(15g)冲击载荷时将会加速裂纹沿基体扩展;(3)经历等温时效+窄带正弦振动顺序冲击载荷后,在经历第一顺序等温时效时形成的空洞会削弱界面强度,在经历第二顺序窄带正弦振动(15g)冲击时,裂纹从空洞处萌生扩展,最终导致焊点失效,柯肯达尔空洞会削弱在振动条件下的可靠性。
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