微连接课件第5章试验方法

1、1微微电子封装与组装焊点的电子封装与组装焊点的可靠性与测试可靠性与测试材料成型与控制系材料成型与控制系2第五章第五章 可靠性试验方法和标准可靠性试验方法和标准3可靠性试验标准可靠性试验标准( (确保试验的可比性）确保试验的可比性）日本：日本： 1)1) 日本工业标准日本工业标准JISJIS2)2) 日本电子机械工业协会标准日本电子机械工业协会标准EIAJEIAJ、IECIEC标准标准3)3) 日电公司标准、宇宙开发事业团标准、汽车工业会标日电公司标准、宇宙开发事业团标准、汽车工业会标 准等（部门及企业标准）准等（部门及企业标准）JISJIS Z Z 3198 3198 无铅钎料及其接合部性能测

2、试的工业标准无铅钎料及其接合部性能测试的工业标准 JIS C 5020 JIS C 5020 电子设备用元件的耐侯性及机械强度试验方法通则电子设备用元件的耐侯性及机械强度试验方法通则EIAJ SDEIAJ SD121121：分立半导体器件的环境及寿命试验方法：分立半导体器件的环境及寿命试验方法EIAJ ICEIAJ IC121121：集成电路可靠性试验方法：集成电路可靠性试验方法IEC PUBIEC PUB6868：环境试验方法：环境试验方法4欧洲标准欧洲标准CENELECCENELEC英国：英国：英国标准英国标准BSBSBS9300:BS9300:半导体器件试验方法半导体器件试验方法BS94

3、00BS9400：集成电路试验方法：集成电路试验方法美国：美国：美国军用标准美国军用标准MILMILMIL-STD-750B : MIL-STD-750B : 半导体器件试验方法半导体器件试验方法MIL-STD-883A : MIL-STD-883A : 微电子电路试验方法微电子电路试验方法德国：德国：欧洲：欧洲：德国工业标准德国工业标准DINDIN5电子元器件的可靠性试验标准电子元器件的可靠性试验标准中华人民共和国军用中华人民共和国军用标准标准GJBGJB 国防科学技术委员会颁布；国防科学技术委员会颁布；宇航用电子元器件有效储存期及超期复验指南宇航用电子元器件有效储存期及超期复验指南中华人中

4、华人民共和国军用标准民共和国军用标准GJBZ/123-99GJBZ/123-99总装备部军标发行；总装备部军标发行；中华人民共和国电子行业标准中华人民共和国电子行业标准SJ/T10694-1996SJ/T10694-1996电子工电子工业部标准业部标准中国：中国：6EIAJ SDEIAJ SD121121：器件的环境及寿命试验方法概要：器件的环境及寿命试验方法概要 1 1） 耐焊性试验：考察焊接过程中器件耐热性耐焊性试验：考察焊接过程中器件耐热性2 2） 可焊性试验：可焊性试验： 3 3） 热冲击试验：考察元件抗温度骤变的能力热冲击试验：考察元件抗温度骤变的能力 a a）：）：0 0和和100

5、100水各浸泡水各浸泡1515秒，转换时间秒，转换时间3 3秒；秒； b b）：）：0 0和和100100水各浸泡水各浸泡5 5分钟，转换时间分钟，转换时间1010秒秒 元件各部分温差产生的应变和均匀物质的温差热应变，元件各部分温差产生的应变和均匀物质的温差热应变， 检查断路、芯片裂纹等，考察电特性。检查断路、芯片裂纹等，考察电特性。4 4）温度循环试验：考察元件抗高低温变化的能力）温度循环试验：考察元件抗高低温变化的能力 a a）：空气循环高低温箱各）：空气循环高低温箱各3030分钟，中间转换分钟，中间转换1010分钟，分钟， 温度标准：温度标准：50-12550-125；0-1250-12

6、5 热膨胀系数不同物质间产生的应变，检查断路、短路，热膨胀系数不同物质间产生的应变，检查断路、短路， 考察电特性考察电特性75 5） 温湿度循环试验：温湿度循环试验： （65652 2）、90909898RHRH加热加热8 8小时小时（25252 2） 、 90909898RHRH下下1 1到到4 4小时，反复小时，反复2020次；次； 检验器件在高温、高湿条件下的劣化程度和稳定性检验器件在高温、高湿条件下的劣化程度和稳定性6 6）密封试验（封装外壳气密性）密封试验（封装外壳气密性）7 7）冲击试验（器件经受运输和实际使用时的剧烈冲击，半）冲击试验（器件经受运输和实际使用时的剧烈冲击，半 正弦

7、波加速度的冲击试验台，器件固定到托架上，一正弦波加速度的冲击试验台，器件固定到托架上，一 定高度下以规定的加速度落下，器件每一方向冲击定高度下以规定的加速度落下，器件每一方向冲击3 3次）次）8 8）恒定加速度试验（检验器件内部结构的机械强度，采用）恒定加速度试验（检验器件内部结构的机械强度，采用 离心加速度设备，用卡具紧固管壳，以防变形和损坏，离心加速度设备，用卡具紧固管壳，以防变形和损坏， 测量电特性）测量电特性）89 9）自然跌落试验）自然跌落试验 检验器件能否经受正常使用时的不规则冲击；自检验器件能否经受正常使用时的不规则冲击；自7575厘米厘米 高度将器件自由跌落到高度将器件自由跌落

8、到151515153 3厘米平滑枫木板上，根据厘米平滑枫木板上，根据 器件结构注意跌落方向。器件结构注意跌落方向。1010）振动试验）振动试验: :器件固定到振动设备上，分别在器件固定到振动设备上，分别在X X，Y Y，Z Z三个方三个方 向上振动，向上振动，1 1）低频）低频60Hz60Hz、9696小时；小时；2 2）100-2000Hz100-2000Hz，4848分钟分钟1111）引线强度试验（检验连接引线承受的强度）引线强度试验（检验连接引线承受的强度） a a）拉伸试验：引出方向上加载）拉伸试验：引出方向上加载5 5秒，根据截面积不同秒，根据截面积不同 确定负载大小确定负载大小 b

9、 b）弯曲试验：将负载吊在引线前端上，在）弯曲试验：将负载吊在引线前端上，在5 5秒内使引秒内使引 线弯成线弯成9090度，然后复原，检查引线和器度，然后复原，检查引线和器 件整体的相对开裂、损伤和松动。件整体的相对开裂、损伤和松动。91212）盐雾试验）盐雾试验 检验器件表面抗腐蚀性和均匀性；检验器件表面抗腐蚀性和均匀性； NaClNaCl （5 51 1）、）、 盐水喷嘴喷雾量盐水喷嘴喷雾量0.5-3ml/h0.5-3ml/h，（，（35352 2） 、（、（24242 2） 小时；检查划痕、表面明显剥落、凹坑和腐蚀的影响。小时；检查划痕、表面明显剥落、凹坑和腐蚀的影响。1313）高温储存

10、寿命试验）高温储存寿命试验 检验器件的长期耐高温性能，通常采用检验器件的长期耐高温性能，通常采用T Tstgmaxstgmax、10001000小时小时, , 常温放置常温放置2 2小时，测电参数小时，测电参数10加速寿命试验方法加速寿命试验方法1 1）寿命试验与加速寿命试验：）寿命试验与加速寿命试验：寿命试验：储存或工作条件下确定寿命的统计平均的试验寿命试验：储存或工作条件下确定寿命的统计平均的试验加速寿命试验（观察失效和预计实际工作状态下的失效率）：加速寿命试验（观察失效和预计实际工作状态下的失效率）：在可靠性术语中，加速寿命试验定义为在可靠性术语中，加速寿命试验定义为“为缩短试验时间，为

11、缩短试验时间，用比标准条件更为严格的条件进行的试验；但做加速寿命试用比标准条件更为严格的条件进行的试验；但做加速寿命试验时，为了能有效地进行可靠性评价，要求验时，为了能有效地进行可靠性评价，要求失效模式和失效失效模式和失效机理不会因加速而发生变化。机理不会因加速而发生变化。加速因子的确定：加速因子的确定： 试验前，应先假设出与被试验器件的制造工艺相应的失效机试验前，应先假设出与被试验器件的制造工艺相应的失效机理，再决定加速因子和条件，即通过失效分析找出失效原因理，再决定加速因子和条件，即通过失效分析找出失效原因112 2）加速寿命试验的基本理论：）加速寿命试验的基本理论： a) a) 阿列尼乌

12、斯模型：最适合以热力学温度加速因子的试验阿列尼乌斯模型：最适合以热力学温度加速因子的试验 lnLlnL=A+E/(RT)=A+E/(RT)L L寿命寿命A A常数常数E E激活能激活能(Kcal/mol)(Kcal/mol)T T热力学温度（热力学温度（K K）R R气体常数气体常数（1.9861.98610103 3 Kcal/mol.deg) Kcal/mol.deg)应用：试验应用：试验T1T1、T2T2对应寿命对应寿命L1L1、L2L2反应的激活能反应的激活能高温下的反应加速性的大致量值高温下的反应加速性的大致量值12b) b) 爱伦模型：最适合以应力为加速因子的试验爱伦模型：最适合以

13、应力为加速因子的试验 lnL=AlnL=AlnSlnSL L寿命寿命A A、 常数常数S S应力应力应用：试验材料疲劳时，应用：试验材料疲劳时，S1S1、S2S2为交变应力，对应循环次数为交变应力，对应循环次数 （寿命）为（寿命）为N1N1、N2N2，则，则 lnln（N1/N2N1/N2）=ln=ln（S2/S1S2/S1） 求出表示反应加速性的大致量值求出表示反应加速性的大致量值，可求任意应力下的寿命，可求任意应力下的寿命 13失效失效位置位置失效现象失效现象有关因子有关因子加速因子加速因子加速性加速性（E E激活能）激活能）金属金属化化电迁移电迁移腐蚀、化学腐蚀、化学腐蚀腐蚀接点断线接点

14、断线温度、电流密度、温度、电流密度、晶粒大小晶粒大小湿度、电流梯度、湿度、电流梯度、沾污沾污温度、金属、杂质温度、金属、杂质T T、J JH H、V V、T TE E0.50.51.2eV1.2eV焊接焊接及其及其机械机械问题问题合金层生长合金层生长疲劳疲劳温度、杂质温度、杂质焊接强度焊接强度温度循环温度循环焊接强度焊接强度T TT TAlAl、AuAu：E E1.01.01.05eV1.05eV14加速寿命试验的应用加速寿命试验的应用1 1）AuAuAlAl合金生长与温度的关系合金生长与温度的关系加速试验示例加速试验示例AuAuAlAl合金生长与温度合金生长与温度的关系的关系目的目的减缓减缓

15、AuAuAlAl键合造成的退键合造成的退化失效化失效AuAuAlAl键合在高温下生键合在高温下生长显著。主要合金为：长显著。主要合金为：紫色相紫色相AuAl2AuAl2、白色相、白色相AuAlAuAl、黄褐色相、黄褐色相Au2AlAu2Al及及Au5Al2Au5Al2、Au4AlAu4Al相，并进相，并进一步求出各合金层的生一步求出各合金层的生长速度；长速度；证明合金层生长厚度值证明合金层生长厚度值符合阿列尼乌斯方程。符合阿列尼乌斯方程。加速因子加速因子温度温度失效判据失效判据合金层厚度合金层厚度失效机理失效机理AuAuAlAl合金生长造成退化合金生长造成退化152 2） AlAl迁移与电流密

16、度的关系迁移与电流密度的关系加速试验示例加速试验示例AlAl迁移与电流密度的关系迁移与电流密度的关系目的目的求出求出AlAl布线的过流烧坏寿命布线的过流烧坏寿命的界限的界限集成电路布线多用铝薄膜，集成电路布线多用铝薄膜，试验得出流过布线的电流试验得出流过布线的电流密度与环境温度与寿命等密度与环境温度与寿命等关系的一系列试验曲线关系的一系列试验曲线加速因子加速因子温度、电流密度温度、电流密度失效判据失效判据断路断路失效机理失效机理电子迁移电子迁移)exp(kTQAJMTTFn163 3）塑封器件的热疲劳性能）塑封器件的热疲劳性能加速试验示例加速试验示例疲劳失效与热应力的关疲劳失效与热应力的关系系

17、目的目的评估塑封器件承受温度循评估塑封器件承受温度循环的能力环的能力由于温差变化，在热膨由于温差变化，在热膨胀系数相差较大的材料胀系数相差较大的材料之间通常产生应力，器之间通常产生应力，器件的应力集中部位往往件的应力集中部位往往造成断线、开裂等造成断线、开裂等近似于爱伦模型近似于爱伦模型加速因子加速因子 热应力（温度差）热应力（温度差）失效判据失效判据 断路、半断路断路、半断路失效机理失效机理 材料之间，特别是塑料和材料之间，特别是塑料和金属的热膨胀系数差引起金属的热膨胀系数差引起的循环应力使连接断裂的循环应力使连接断裂/()mfNClglgfBNA 1718191. 1. 钎焊的可焊性评价钎

18、焊的可焊性评价 1) 1) 可焊性定义可焊性定义 可焊性定义可焊性定义1 1： 工件表面易于被熔融钎料润湿的特性工件表面易于被熔融钎料润湿的特性。含义：一是两个。含义：一是两个 工件表面之间形成工件表面之间形成接合的能力接合的能力，即，即“焊接质量焊接质量”；一是；一是 形成这种形成这种接合所需要的时间接合所需要的时间，即，即“焊接时间焊接时间”。可焊性常常用在规定的条件下，达到规定的润湿程度所可焊性常常用在规定的条件下，达到规定的润湿程度所需要的时间需要的时间( (润湿平衡试验）或在规定的时间内所能达润湿平衡试验）或在规定的时间内所能达到的润湿程度（铺展试验）来表示。到的润湿程度（铺展试验）

19、来表示。20 可焊性定义可焊性定义2 2： 包括包括浸润性浸润性在内的焊接部位的在内的焊接部位的机械和电性能机械和电性能的可靠性：的可靠性：a a）作用在焊料）作用在焊料母材母材助焊剂三者之间的界面张力产生助焊剂三者之间的界面张力产生 “ “浸润浸润”来评价焊料与母材的焊接过程及其程度；来评价焊料与母材的焊接过程及其程度；b b）通过凝固后的剥离强度试验来检验焊接部位的强度及）通过凝固后的剥离强度试验来检验焊接部位的强度及 其导电性。其导电性。 212) 2) 典型的可焊性试验方法及试验标准典型的可焊性试验方法及试验标准 223) 3) 浸渍试验浸渍试验( (引线评价方法）引线评价方法） 操作

20、程序：将经过表面预处理操作程序：将经过表面预处理( (即涂覆助焊剂即涂覆助焊剂) )的元件引线的元件引线浸渍在焊槽中，使其附上钎料，然后在浸渍在焊槽中，使其附上钎料，然后在1010倍的显微镜下观倍的显微镜下观察，检查钎料所覆盖的面积是否占整个面积的察，检查钎料所覆盖的面积是否占整个面积的9595以以上，是否有气孔或空隙等。上，是否有气孔或空隙等。 缺点：缺点： 面积比率的测量精度不高。面积比率的测量精度不高。234) 4) 元件引线的可焊性试验元件引线的可焊性试验( (接触角法接触角法) ) 在试验的引线上卷上直径为在试验的引线上卷上直径为0.25mm0.25mm的钎料，在高于钎料熔点的的钎料

21、，在高于钎料熔点的特定温度范围内的特定温度范围内的聚乙二醇浴槽中浸渍聚乙二醇浴槽中浸渍1010分钟分钟，待钎料熔融后，待钎料熔融后取出，冷却至室温，然后测量试验取出，冷却至室温，然后测量试验引线与钎料隆起面的接触角引线与钎料隆起面的接触角。方法操作简便，但接触角的方法操作简便，但接触角的测量精度差测量精度差，数据处理困难。，数据处理困难。245 5） 焊球试验法焊球试验法 可以测定可以测定截面为圆形、矩形的元件引线截面为圆形、矩形的元件引线的可焊的可焊 性和性和 润湿时间。润湿时间。原理步骤原理步骤a)a) 熔融的钎料小球置于加热平台，熔融的钎料小球置于加热平台，涂有钎剂的涂有钎剂的试验导线水

22、平地下试验导线水平地下降进入焊料小球内降进入焊料小球内，并将小球并将小球等分为二，此球将保持分开的等分为二，此球将保持分开的状态，直至导线润湿为止状态，直至导线润湿为止；b)b) 润湿逐渐增加，球的两部分相润湿逐渐增加，球的两部分相遇并急骤并合；遇并急骤并合；小球分开与并小球分开与并合之间的时间，常称为触球时合之间的时间，常称为触球时间间，即在给定的试验温度下所，即在给定的试验温度下所测得的润湿时间。测得的润湿时间。25 焊球试验法的设备焊球试验法的设备 26 通孔元件可焊性测试时钎料球的选择通孔元件可焊性测试时钎料球的选择引线截面最大直径（引线截面最大直径（mmmm）钎料球重量（钎料球重量（

23、mgmg）小于小于0.250.2550500.260.260.550.5575750.560.560.750.751251250.760.761.201.20200200评价：评价： 通常情况下，通常情况下，SnPbSnPb钎料润湿时间为钎料润湿时间为1 1秒，一般不能秒，一般不能 超过超过2s2s，超过，超过2s2s为不合格。为不合格。276) 6) 铺展试验铺展试验 扩展率（）100DHD式中：式中：H H一铺展后钎料的高度；一铺展后钎料的高度； D D一钎料为球状时的平均直径。一钎料为球状时的平均直径。28 实验室使用的扩展设备：实验室使用的扩展设备： 29 日本经济产业省于日本经济产业

24、省于2003 2003 年年6 6 月月20 20 日发布的日发布的JIS Z JIS Z 3198 3198无铅钎料及其接合部性能测试的工业标准无铅钎料及其接合部性能测试的工业标准 a a）试验材料：）试验材料：铜板：尺寸为铜板：尺寸为303030300. 3 mm,0. 3 mm,材料为无氧铜材料为无氧铜C1220P C1220P 或或 C1201PC1201P（磷脱氧铜板），进行表面预处理后；（磷脱氧铜板），进行表面预处理后；钎料：加工为直径钎料：加工为直径6. 5 mm6. 5 mm、高度、高度1. 24 mm1. 24 mm的圆板形状；的圆板形状；钎剂：配置顺序为钎剂：配置顺序为:

25、(25 : (25 0. 1) g 0. 1) g 的松香加入到的松香加入到(75 (75 0. 0. 1) g 1) g 的丙酮内的丙酮内, ,缓慢加热使松香溶解缓慢加热使松香溶解, ,再搅拌成为均再搅拌成为均 匀的溶液，松香采用匀的溶液，松香采用J IS K5902J IS K5902里规定的里规定的2 2 级松香，级松香， 然后加入有机物盐酸盐然后加入有机物盐酸盐(0. 39(0. 390. 01) g 0. 01) g 并缓慢搅并缓慢搅 拌溶解，冷却后少量添加相当于蒸发掉的丙酮。拌溶解，冷却后少量添加相当于蒸发掉的丙酮。30b b）试验过程：）试验过程：用用微滴注器微滴注器将将0. 0

26、2 ml 0. 02 ml 的钎剂滴在铜板的中央的钎剂滴在铜板的中央, ,将钎料放将钎料放置在铜板的中间，放入置在铜板的中间，放入干燥器中加热至干燥器中加热至100 100 并保持并保持2 2 minmin , ,使钎剂中的溶剂挥发掉，共制作使钎剂中的溶剂挥发掉，共制作5 5 片片这样的试验件；这样的试验件；将钎料槽的钎料温度稳定在将钎料槽的钎料温度稳定在( (250 250 3)3); ;通过升降机使试通过升降机使试 验件与钎料槽中熔化的钎料水平地接触验件与钎料槽中熔化的钎料水平地接触, ,注意槽中熔化钎料注意槽中熔化钎料的的表面氧化膜表面氧化膜在试验件接触之前要用在试验件接触之前要用刮板除

27、去刮板除去；接触保持接触保持30 s30 s , ,使无铅钎料熔化并在铜板上铺展开，升降使无铅钎料熔化并在铜板上铺展开，升降 机将试验件从钎料槽水平地拉起机将试验件从钎料槽水平地拉起, ,一直冷却到室温；用适当一直冷却到室温；用适当的的溶剂洗去钎剂残渣溶剂洗去钎剂残渣。3/124.1VD V V 试验所用钎料试样的质量试验所用钎料试样的质量/ / 密度密度 317 7） 润湿平衡法润湿平衡法 原理原理 样品、熔化的钎料和大气构样品、熔化的钎料和大气构成一个三相体系达到平衡时，成一个三相体系达到平衡时，表面张力形成的弯月面形状，表面张力形成的弯月面形状，根据杨氏方程根据杨氏方程 ：lg)cos(

28、slsg32amFFF)cos(lgLFmVgFaLVgFlg)cos(VgLF)cos(lg合力合力F F的变化与润湿角的变化存在直接关系，因此反映润的变化与润湿角的变化存在直接关系，因此反映润湿质量的参数湿质量的参数的动态测量的动态测量，可转化为简单的，可转化为简单的润湿力和润湿力和浮力的合力浮力的合力F F的测量。的测量。 33日本日本RhescaRhesca公司公司Solder Checker SAT-5100Solder Checker SAT-5100型型可焊性测试仪可焊性测试仪34 测试结果润湿曲线测试结果润湿曲线 a)a) 也可用于器件引脚也可用于器件引脚可焊性的检测；可焊性的

29、检测；b)b) MILMILSTDSTD883E 883E METHOD 2022.2METHOD 2022.2Wetting Wetting Balance Balance SolderabilitySolderability 标准规定过零线的标准规定过零线的时间要小于时间要小于0 05s5s，并且在并且在lsls之内达到之内达到最大合力的最大合力的2/32/3。35 Sn37Pb Sn37Pb钎料润湿曲线钎料润湿曲线 36 Sn0.7Cu Sn0.7Cu 钎料润湿曲线钎料润湿曲线 37 Sn3.0Ag0.5Cu Sn3.0Ag0.5Cu 钎料润湿曲线钎料润湿曲线 382(1) 2(1) 钎

30、料熔化温度范围测定方法钎料熔化温度范围测定方法 熔化温度范围是钎料合金最基本的性质熔化温度范围是钎料合金最基本的性质, ,是决定实际钎是决定实际钎 焊温度的基本参数焊温度的基本参数, ,同时也可以通过它判断钎料的流动同时也可以通过它判断钎料的流动 性和结晶温度区间等。性和结晶温度区间等。 熔化温度区间以熔化开始温度和凝固开始温度来描述熔化温度区间以熔化开始温度和凝固开始温度来描述, , 熔化开始温度通常指在合金相图上的固相线温度熔化开始温度通常指在合金相图上的固相线温度, ,而凝而凝 固开始温度相当于液相线的温度。固开始温度相当于液相线的温度。 熔化开始温度的测试采用扫描差热测量熔化开始温度的

31、测试采用扫描差热测量(DSC)(DSC)和差热和差热 分析分析(DTA) (DTA) 方法进行方法进行; ; 凝固开始温度通过熔化钎料合金的冷却曲线测量。凝固开始温度通过熔化钎料合金的冷却曲线测量。39 熔化开始温度测量参数：熔化开始温度测量参数： 试样质量：试样质量：5 mg-10 mg ,5 mg-10 mg ,一般情况下均取一般情况下均取10 mg10 mg； 加热速度：加热速度：1 / min-10 / min ,1 / min-10 / min ,精度在精度在10 %10 %以内。以内。 温度校正：纯度为温度校正：纯度为99. 99 %99. 99 %已知熔点的纯物质标准试样已知熔点

32、的纯物质标准试样40 差热分析记录曲线上求取熔化开始温度的方法差热分析记录曲线上求取熔化开始温度的方法 41 从熔化钎料的冷却曲线求取凝固开始温度的方法从熔化钎料的冷却曲线求取凝固开始温度的方法 422(2) 2(2) 钎料机械特性的拉伸试验（钎料机械特性的拉伸试验（JIS Z 3198JIS Z 3198标准）标准） 标准件形状和尺寸规格：标准件形状和尺寸规格： 标准件制造：标准件制造： 铸造钎料熔体的温度定为无铅钎料合金凝固开始温铸造钎料熔体的温度定为无铅钎料合金凝固开始温 度之上度之上(100 (100 5) ,5) ,铸造前铸型的温度为室温。铸造前铸型的温度为室温。433. 3. 钎焊

33、焊点的机械性能试验方法钎焊焊点的机械性能试验方法测定焊点的连接强度，因元器件形状不同而不完全相同测定焊点的连接强度，因元器件形状不同而不完全相同: :c)c) 对对BGABGA等接头隐藏在内部的元器件：一般采用从搭等接头隐藏在内部的元器件：一般采用从搭 载该焊点的基板的背面进行弯曲试验，测定连接载该焊点的基板的背面进行弯曲试验，测定连接 破坏时强度。破坏时强度。a) a) 引线键合及引线键合及QFPQFP等有引线的元件：等有引线的元件： 多将基板水平或倾斜多将基板水平或倾斜4545进行引线的拉拔试验；进行引线的拉拔试验； 多引线部件应每一边选出数根引线试验，后取平均值；多引线部件应每一边选出数

34、根引线试验，后取平均值；b)b) 对于片式元件：对于片式元件： 进行剪切试验，但不能使元件受到冲击；进行剪切试验，但不能使元件受到冲击；444546 1） 钎料接头拉伸及剪切试验方法（钎料接头拉伸及剪切试验方法（JIS Z 3198JIS Z 3198标准）标准） 必要性：必要性： 健全焊点的条件下健全焊点的条件下, ,软钎焊接头的可靠性受接合界面软钎焊接头的可靠性受接合界面 IMCIMC生成及其成长的影响。生成及其成长的影响。 拉伸试样和拉伸试样和1 1剪切试样试验方法剪切试样试验方法 47a)a) 钎焊前接头金属需用脱脂液或酸洗液清洗；钎料量钎焊前接头金属需用脱脂液或酸洗液清洗；钎料量以保

35、证填满接合部间隙为准；焊后机械加工除去接以保证填满接合部间隙为准；焊后机械加工除去接头多余部分。头多余部分。b)b) 拉伸速度范围为拉伸速度范围为1 mm/ min-50 mm/ min1 mm/ min-50 mm/ min；试验环；试验环境温度一般选择境温度一般选择10 -35 10 -35 。拉伸强度计算公式：拉伸强度计算公式：剪切强度计算公式：剪切强度计算公式：APAPS48b)b) 由于接头钎焊圆角直接影响接头强度值由于接头钎焊圆角直接影响接头强度值, ,因此试验件的制因此试验件的制备要求消除钎料润湿圆角备要求消除钎料润湿圆角, ,保证试验结果的均一性。保证试验结果的均一性。 2 2

36、 剪切试件试验方法剪切试件试验方法a)a) 拉伸速度范围为拉伸速度范围为1 mm/ min1 mm/ min50 mm/ min50 mm/ min；试验环境温度一；试验环境温度一般为般为10 10 35 35 ；卡具间隙范围为；卡具间隙范围为0. 2 mm0. 2 mm0. 7 mm0. 7 mm。492 2） QFPQFP 引线软钎焊接头引线软钎焊接头45拉引试验方法（拉引试验方法（JIS Z 3198JIS Z 3198标准）标准） 把试件固定在夹具上把试件固定在夹具上, ,基板平面要与水平面保持基板平面要与水平面保持4545。对于拉。对于拉 伸挂钩卡具伸挂钩卡具, ,施加载荷时要求不滑

37、动施加载荷时要求不滑动, ,挂钩端尺寸小于引线内挂钩端尺寸小于引线内 部空隙且不易变形。部空隙且不易变形。 拉伸速度取拉伸速度取 10 mm/ min 10 mm/ min。 50 试验结果评价试验结果评价 a)a) 一般取最大拉伸载荷作为评价参考值一般取最大拉伸载荷作为评价参考值, ,但是需要详细但是需要详细 说明接合部拉伸断裂的部位说明接合部拉伸断裂的部位, ,如断裂发生在钎料内如断裂发生在钎料内 部、部、引线、焊盘剥离等引线、焊盘剥离等 b)b) 试验关键：设计好挂钩卡具的尖端形状。试验关键：设计好挂钩卡具的尖端形状。QFP QFP 器件的种器件的种类繁多且引线肩部的形状和尺寸各不相同类

38、繁多且引线肩部的形状和尺寸各不相同, ,因此必须考因此必须考虑肩部引线的宽度和曲率设计挂钩卡具的尖端形状虑肩部引线的宽度和曲率设计挂钩卡具的尖端形状, ,使使卡具尖端能够充分钩住引线肩部。卡具尖端能够充分钩住引线肩部。 挂钩尖端尺寸过小：挂钩尖端尺寸过小： 拉伸过程中钩不住引线并滑脱挂钩拉伸过程中钩不住引线并滑脱挂钩; ; 尖端尺寸过大：尖端尺寸过大： 拉伸过程中给引线施加附加的力拉伸过程中给引线施加附加的力, ,导致导致 结果产生误差。结果产生误差。 513 3） 片式元器件软钎焊接头剪切试验方法片式元器件软钎焊接头剪切试验方法 试验方法：采用加压剪切试验机试验方法：采用加压剪切试验机( (

39、万能试验机万能试验机) )a)a) 压力卡具的前端为直压力卡具的前端为直径径0. 5 mm0. 5 mm端子；端子；b)b) 剪切卡具对准器件的剪切卡具对准器件的中心轴线并保证卡具中心轴线并保证卡具与器件垂直与器件垂直, ,卡具与卡具与基板的间隙距离为器基板的间隙距离为器件厚度的件厚度的1/4;1/4;c)c) 实验中避免卡具对器实验中避免卡具对器件的冲击件的冲击, ,卡具的移卡具的移动速度一般取为动速度一般取为5 5 mm/ minmm/ min30 mm/ 30 mm/ minmin。 52 试验结果评价试验结果评价 a)a) 一般取最大加压载荷作为评价参考值一般取最大加压载荷作为评价参考

40、值, ,但是需详细说明但是需详细说明接合部剪切断裂的部位接合部剪切断裂的部位, ,如断裂发生在钎料内部、如断裂发生在钎料内部、 界面处、芯片器件等。界面处、芯片器件等。b)b) 试验关键：卡具的形状、卡具与器件的相对位置、卡具试验关键：卡具的形状、卡具与器件的相对位置、卡具的移动速度；的移动速度； 卡具与基板间隙值过大：卡具将给器件额外的较大扭矩，卡具与基板间隙值过大：卡具将给器件额外的较大扭矩，降低实际剪切强度；降低实际剪切强度； 卡具在器件的中心对称线上移动卡具在器件的中心对称线上移动, ,否则由于器件两端焊点否则由于器件两端焊点承受的力不同，严重影响试验结果。承受的力不同，严重影响试验结

41、果。534. 4. 引线键合的拉伸强度引线键合的拉伸强度 试验方法：（不超过试验方法：（不超过2g2gs s的恒速率垂直上拉）的恒速率垂直上拉） 2sintFF54 断裂位置断裂位置 实际上很多情况是实际上很多情况是E E处焊接最弱，损坏的可能最大。处焊接最弱，损坏的可能最大。55 5. 5. 芯片粘接（或焊接）强度的测量方法芯片粘接（或焊接）强度的测量方法 芯片良好粘接芯片良好粘接( (焊接焊接) )的标准的标准 芯片粘接芯片粘接( (或焊接或焊接) )强度良好：强度良好： 芯片推碎了，粘接芯片推碎了，粘接( (焊接焊接) )处良好处良好 56 电参数测试法（芯片与底座导电性连接）电参数测试

42、法（芯片与底座导电性连接）1 1）导电性连接：焊接、低温银浆粘接、导电胶粘接；）导电性连接：焊接、低温银浆粘接、导电胶粘接；2 2）导电性粘接）导电性粘接( (或焊接或焊接) )好坏主要影响器件的热阻和饱和压好坏主要影响器件的热阻和饱和压降，所以对这类连接的器件，芯片与底座粘接降，所以对这类连接的器件，芯片与底座粘接( (或焊接或焊接) )好好坏的检查方法可以通过测试晶体管的饱和压降来无损地检坏的检查方法可以通过测试晶体管的饱和压降来无损地检测焊接（粘接）的质量。测焊接（粘接）的质量。3 3）如果饱和压降偏大，一般来说芯片都没有粘）如果饱和压降偏大，一般来说芯片都没有粘( (焊焊) )牢，有牢

43、，有的甚至一推就脱落了。的甚至一推就脱落了。 57 推力试验法（芯片与底座是非导电性连接）推力试验法（芯片与底座是非导电性连接） 1 1） 非导电性连接：环氧树脂粘接非导电性连接：环氧树脂粘接 测量时，推刀垂直靠在被测芯片边缘，推刀作切向运动，芯测量时，推刀垂直靠在被测芯片边缘，推刀作切向运动，芯片被推掉时推力计上指示的读数数即是芯片粘接（焊接片被推掉时推力计上指示的读数数即是芯片粘接（焊接) )强强度。度。582 2） 芯片共晶焊的美国军用标准芯片共晶焊的美国军用标准883B883B方法方法20192019、I I、的、的 最小推力与芯片面积的关系曲线。最小推力与芯片面积的关系曲线。 59

44、芯片粘接芯片粘接( (或焊接或焊接) )的热疲劳强度影响因素的热疲劳强度影响因素 1 1）芯片与底座之间空隙的大小；）芯片与底座之间空隙的大小；2 2）钎料轮廓的形状；）钎料轮廓的形状；3 3）是否有氧化物或脆性金属间化合物存在；）是否有氧化物或脆性金属间化合物存在；4 4）冷却速度的变化；）冷却速度的变化；5 5）掺杂物的种类及含量的变化而导致焊料晶粒大小或）掺杂物的种类及含量的变化而导致焊料晶粒大小或 形状的不同。形状的不同。60 芯片与载体基板间焊料的最大热剪切形变：芯片与载体基板间焊料的最大热剪切形变： /2SDTt D D芯片对角线尺寸；芯片对角线尺寸；t t焊料厚度；焊料厚度；Tm

45、axTmax为器件试验的最高温度；为器件试验的最高温度；TminTmin为器件试验的最低温度（如为器件试验的最低温度（如5555）maxminTTT热形变是直接与芯片大小有关；在温度循环中则热形变是直接与芯片大小有关；在温度循环中则要么是焊料强度大于芯片强度而使芯片碎裂，要要么是焊料强度大于芯片强度而使芯片碎裂，要么是使焊料屈服。么是使焊料屈服。 61 器件失效的循环寿命器件失效的循环寿命 (KnnfmNS次数）m为钎料的最大剪切形变为钎料的最大剪切形变 1 1）用）用PbPb和和SnSn系焊料的器件失效率比用系焊料的器件失效率比用AuAuSnSn焊料的器件焊料的器件 明显高些。而明显高些。而

46、PbPb系焊料又比系焊料又比S nS n系可靠性好些。系可靠性好些。2 2）导电胶粘接、银浆及环氧粘接比上述焊料差）导电胶粘接、银浆及环氧粘接比上述焊料差些。些。3 3）SnSnSb(10Sb(10) )Ag(25Ag(25) )等等S nS n系焊料在焊接时会与芯系焊料在焊接时会与芯 片背面或管壳上的金层反应，形成一种片背面或管壳上的金层反应，形成一种AuSn4AuSn4相而使热相而使热 疲劳强度下降。因此这类焊料不宜用于芯片背面和管疲劳强度下降。因此这类焊料不宜用于芯片背面和管 壳上有金层的情况。壳上有金层的情况。626. 6. 微压痕法基于微小焊点本身的强度测量方法微压痕法基于微小焊点本

47、身的强度测量方法 6.1 6.1 传统传统SMTSMT焊点可靠性评价过程中存在的问题焊点可靠性评价过程中存在的问题 力学性能本构方程焊点应力应变FEMSMT焊点热疲劳寿命SMT焊点失效分析63钎料合金的本构方程中的力学性能参数是通过对铸造体钎钎料合金的本构方程中的力学性能参数是通过对铸造体钎料拉伸试样或搭接接头进行单轴拉伸或蠕变试验而得；料拉伸试样或搭接接头进行单轴拉伸或蠕变试验而得； 常规力学实验的对象材料是铸态，铸态钎料有均匀的组织常规力学实验的对象材料是铸态，铸态钎料有均匀的组织 BGA BGA、CSPCSP等面封装的重要特征是焊点尺寸的微型化，等面封装的重要特征是焊点尺寸的微型化， B

48、GABGA焊点的半径已经达到焊点的半径已经达到0.1 mm0.1 mm的量级，从而对微连接焊的量级，从而对微连接焊 点力学可靠性的评价提出了新的课题：微小体积焊点的力点力学可靠性的评价提出了新的课题：微小体积焊点的力 学行为与大尺寸体钎料合金的力学行为是否一致，即焊点学行为与大尺寸体钎料合金的力学行为是否一致，即焊点 尺寸效应对钎料合金本构方程的影响；尺寸效应对钎料合金本构方程的影响； 实际焊点是软钎焊态，即固态钎料经过了一次熔化和再凝实际焊点是软钎焊态，即固态钎料经过了一次熔化和再凝 固，并且由于界面处固，并且由于界面处IMCIMC的形成使得焊点呈层状分布，即的形成使得焊点呈层状分布，即 I

49、MCIMC钎料钎料IMCIMC。64 PBGA PBGA（Plastic Ball Grid ArrayPlastic Ball Grid Array）尺寸：）尺寸：65 尺寸效应与钎料的力学性能尺寸效应与钎料的力学性能( (蠕变性能）蠕变性能）钎料尺寸对钎料力学性能的影响：钎料尺寸对钎料力学性能的影响：2525倍倍12.3mm V = 1.8 mm3540mm V = 785 mm3 钎料：钎料：Sn60Pb40Sn60Pb40蠕变速率：蠕变速率：5N/mm5N/mm2 2试验温度：试验温度：22Deg. 22Deg. 66 尺寸效应与钎料的力学性能尺寸效应与钎料的力学性能( (拉伸性能）拉伸性能） 大小尺寸试样应变速率与拉伸强度关系大小尺寸试样应变速率与拉伸强度关系67 搭接接头与块体钎料疲劳寿命关系