（电路与系统专业论文）无铅焊点的信号传输失效准则研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 电子组装微焊点在服役过程中的损伤行为与信号传输特性之间的关 系一直是微组装可靠性领域倍受关注的问题。本文以单个无铅焊点为研究 对象，在低频条件下，结合电阻定义式，分析了焊点损伤过程中直流电阻 的变化规律。利用焊点在线测试系统，测试了室温剪切拉伸、高温剪切拉 伸、热循环剪切拉伸三种不同载荷条件下单个无铅焊点的电阻应变曲线， 对焊点在不同条件下的电阻应变曲线临界点进行了研究，找出了其共同特 性。结果表明：无铅焊点电阻应变曲线包括漫长的线性变化区和快速的指 数变化区；两个区域临界点处的电阻应变值大约为0 0 5 左右，临界点后电 阻应变指数变化至失效的时间约占焊点寿命的2 0 3 0 ；热循环条件下， 4 0 的电阻应变曲线临界点滞后于1 2 5 的临界点，滞后时间约占焊点寿命 的8 。在高频条件下，结合交流电阻、电容、电感计算公式，分析了焊点 损伤过程中交流电阻、电容、电感参数的变化规律，对受损焊点传输信号 的失效特性进行了仿真。结果表明：焊点损伤引起了阻抗的突变，使得传 输信号经过受损焊点后产生了振铃现象；随着等效裂纹长度的增大，振铃 幅度也随之增大；将直流电阻应变时间曲线和高频信号振铃幅度时间曲线 进行对比，发现直流电阻应变时间曲线的临界点滞后于高频信号振铃幅度 时间曲线的临界点，表明信号传输失效特性能更早的反映焊点的蜕化情 况，为焊点失效做出更早的警示。另外，对等效裂纹长度为0 0 5 m m 的受 损焊点仿真了不同频率传输信号的失效情况，结果表明：传输信号的频率 越高，输出信号的振铃幅度越大，输出信号失真越严重，证明频率越高的 信号对焊点的蜕化越敏感。 关键词无铅焊点，电阻应变，失效准则，临界点，信号完整性 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl c a d f r e es o l d e rj o i n t sd a m a g ea n ds i g n a l t r a n s 血s s i o np r o p e r t yi sah o t s p o tp r o b l e mf o ral o n gt i m ei nt h ef i e l do f t o d a y se l e c t r o n i cp a c k a g i n gr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , u n d e rd i r e c tc u r r e n t ( d c ) ， t h ef a i l u r ep r o p e r t i e so fs i n g l el e a d f r e es o l d e rj o i n tw e r ee x p l o r e dw i t hi ns i t u r e s i s t a n c es t r a i nm e a s u r e m e n tu n d e rt h r e ed i f f e r e n tl o a dc o n d i t i o n si n c l u d i n g s h e a rc r e e pt e s t i n ga tr o o mt e m p e r a t u r e ，s h e a re r e 印t e s t i n ga t12 5 a n ds h e a r c r e e pt e s t i n gd u r i n gt h e r m a lc y c l eb e t w e e n4 0 a n d12 5 b yat a i l o r - m a d e e l e c t r o n i c t e s t i n gs y s t e m a n dt h eq u a n t i f i c a t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e n r e s i s t a n c es t r a i na n dd a m a g ew a sd e d u c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tr e s i s t a n c e s t r a i nc u r v e si n c l u d eal o n gt i m el i n e a rp e r i o da n das h o r t e rt i m ee x p o n e n t i a l p e r i o d t h er e s i s t a n c es t r a i nv a l u ea tt h ec r i t i c a lp o i n to ft h et w op e r i o d si s a b o u t0 0 5 a n dt h et i m eo ft h ee x p o n e n t i a lp e r i o da c c o u n t sf o r2 0 t o3 0 o f s o l d e rjo i n t sl i f e u n d e rt h e r m a lc y c l e ，t h ec r i t i c a lp o i n to f4 0 cc u r v el a g s b e h i n dt h e12 5 c u r v e ，a n dt h el a g g e dt i m ea c c o u n t sf o r8 o ft h es o l d e r j o i n t s l i f e a t h i 曲f r e q u e n c i e s ，t h er e s i s t a n c e ，i n d u c t i v er e a c t a n c ea n d c a p a c i t i v er e a c t a n c ew i t hs o l d e rj o i n td e g r a d a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d a n d ， t r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so fs i g n a l t h r o u g h t h e d a m a g e ds o l d e rj o i n tw e r e s i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e ns i g n a lt r a n s m i t st h r o u g hc r a c k e ds o l d e r jo i n t ，t h eo u t p u ts i g n a ls h o w sr i n gp h e n o m e n o n w i t ht h ei n c r e a s eo fs o l d e r jo i n t sc r a c k , t h ea m p l i t u d eo ft h er i n gi n c r e a s e se x p o n e n t i a l l y c o m p a r i n gt h e d cr e s i s t a n c ec u r v ea n dr i n ga m p l i t u d ec u r v e ，i ti sf o u n dt h a tt h er i n ga m p l i t u d e c u r v ei n c r e a s e si nr e s p o n s et oc r a c k i n go ft h es o l d e rj o i n te a r l i e rt h a nd c r e s i s t a n c ec u r v e ，w h i c hi n d i c a t e st h a ts i g n a lt r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so f f e r sa l l i m p r o v e d m e a n so f s e n s i n g s o l d e r j o i n td e g r a d a t i o n b e s i d e s ，s i g n a l t r a n s m i s s i o np r o p e r t i e sw i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c i e sw e r es i m u l a t e dw h e nt h e s i g n a lt r a n s m i t t e dt h r o u g hs o l d e rj o i n tw i t hac r a c kl e n g t ho fo 0 5 r a m t h e r e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es i g n a lf r e q u e n c y , t h eo u t p u ts i g n a l s h o wr i n gp h e n o m e n o n a n dt h eh i g h e ro ft h ef r e q u e n c y , t h el a r g e ro ft h eo u t p u t s i g n a lr i n ga m p l i t u d e 即：1 i sc l e a r l ys h o w st h a th i g h e rf r e q u e n c ys i g n a l sa r em o r e s e n s i t i v et ot h ed e g r a d a t i o no ft h es o l d e rj o i n t 中南大学硕十学位论文a b s t r a c t k e yw o r d sl e a d f r e es o l d e rj o i n t ，r e s i s t a n c es t r a i n ，f a i l u r ec r i t e r i a ，c r i t i c a l p o i n t ，s i g n a li n t e g r i t y i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盐立盐 日期：碑姓月盟日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复 印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将 本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 储躲扯雄聊签名趣吼4 年上月掣日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1无铅焊料的使用现状和发展趋势 s n p b 焊料具有性能优异、成本低廉等特点，是当前电子封装焊接中的重要焊接材 料。但是，铅是有毒金属，大量使用不仅会造成严重的环境污染，同时也极大地危害到 人体健康【l - 3 】。随着人类环保意识的不断增强，人们在追求产品高性能的同时，更注重 产品的无毒、绿色、环保等特点。限制或禁止使用铅的呼声日渐高涨，许多国家已先后 制定了对铅的限制法规，电子工业的“无铅化”已成为发展的必然趋势。因此解决铅污染 的问题已成为近年来电子封装技术发展的热点，寻找开发绿色无铅封装材料以及实施无 铅工艺制程已成为当今电子工业所面临的重要课题之一。 2 0 世纪9 0 年代初，美国率先提出无铅工艺并制定标准来限制产品中的铅含量，欧盟 于2 0 0 3 年2 月1 3 日正式颁布t w e e e ( ad i r e c t i v eo nw a s t ef r o me l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c e q u i p m e n t ) 和r o l l s ( r e s t r i c t i o no fc e r t a i nh a z a r d o u ss u b s t a n c e s ) 两大指令，明确提出从 2 0 0 6 年7 月1 日起禁止在欧盟成员国生产和销售含铅的电子产品【 】，意味着全世界电子 产品封装已进入无铅化时代。日本作为一个电子电气设备出口大国，产业界对电子封装 无铅化的反应相当积极，早在2 0 0 2 年末就全面实行电子产品进口无铅化。以松下公司为 例，从1 9 9 8 年该公司推出由无铅技术生产的m i n i d i s k 至l j 2 0 0 3 年4 月宣布全部产品实现无 铅化，在短短5 年内，从使用s n p b 焊料成功转型到全部使用无铅焊料。目前，大多数 o e m s ( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r s ) 已经成功地引入了无铅产品，如f u j i t s u ，h i m c h i ， m a t s u s h i t a ，n e c ，p h i l i p s 和t o s h i b a 等的消费品部门，它们是工业界最早使用无铅电子的。 d e l l ，h p ，i b m ( l e v o n o ) ，n e c 和t o s h i b a 在计算机服务器方面，i n f i n e o n 和m o t o r o l a 在电 信产品方面早已开始使用无铅电子产品。虽然我国在相关法令上面没有明确提出无铅化 的进程计划，但是入世的现实促使我国与国际接轨。欧盟近两年已成为中国家电产品出 口的重要市场，约占我国家电出口市场的1 4 。随着美欧日无铅化技术的迅速产业化，如 果我国在这方面落后就会导致出口受阻，电子产品可能被国际市场残酷地拒之i - j # b 。为 了能够适应国际贸易规则，发展民族工业，使产品增强国际竞争力，我国电子封装产业 无铅化势在必行。 美国、日本、欧盟等发达国家已投入了大量的人力和物力寻找s n - p b 焊料的替代材 料和相应的焊接工艺。以前普遍采用的p b s n 共晶合金熔点是1 8 3 ，半导体、电子器件 的耐热温度是2 2 0 ，希望开发强度、熔点、价格等综合性能不低于s n - p b 的无铅焊料。 经过十多年的研究，目前已有几十种无铅焊料被开发出来，国际上公认的最有可能替代 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 s n - p b 焊料的无铅焊料合金系有s n - a g _ c u 、s n - a g 、s n - b i 和s n - z n 等吼其中s 1 1 a g c u 系焊 料最接近实用化，具有良好的强度、抗疲劳特性和塑性。目前业界比较统一的认识就集 中在s n a g c u ( s a c ) 、s n a g 以及s n c u 麸晶焊料，而各组织和机构对合金组成比例则有 不同的看法和选择m ( 详见表1 1 ) 。 表1 1 各组织或机构推荐使用的锡铅共晶焊料替代合盘” 从s o l d e r t e c 公司在整个欧盟的调查情况可以发现s a c 、s n a g 以及s n c u 共晶 焊料将是无铅焊料的最佳选择( 分别见图1 1 ，i - 2 ) 。 图i - i 用于目流焊的焊料选择调查( 政洲) 圈1 2 波峰焊的蚪料选择调查( 欧洲) 如果单纯地只是从某几个方面的性能来看，无铅焊料能够满足要求甚至在某些方 面的性能来看能够超过s n - p b 焊料，但在实际应用中发现，无铅焊料总是在某些特定情 况下无法满足要求。纵然在不同的温度和条件要求下采用不同成分的焊料以及采取相应 的条件和处理工艺，虽然成本会提高，但是随着人们对“绿色”的渴望和对电子产品无铅 化愈加重视，相信工艺的变化和成本的提高会被更多的消费者所接受。 囊罐 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 焊点失效准则研究概况 1 2 1 焊点可靠性试验 广义的可靠性是指一个产品提供其预期的功能的能力。i p c ( 国际封装互连协会) 将可靠性定义为：产品的功能在给定环境和特定时期内未超过可接受的失效级别的能力 【s 】。实际服役过程中，焊点被施加的载荷主要有热循环、振动、冲击、潮湿或其综合。 在不同载荷下焊点以不同的失效机理发生蜕化，最终失效【9 1 1 1 。电子工业中通常通过加 速测试评定电子产品的可靠性，在短时间内给试样施加一个大的作用力，观察试样的失 效机制及失效模式，并以此推测电子产品在实际服役环境中的失效情形。 可靠性试验就是为评价分析电子产品可靠性，而对受试的样品施加一定的载荷，包 括电加载，热加载，机械加载或其综合。通过试验检查样品的各种性能参数是否仍旧符 合技术指标，从而判断样品是否失效或可靠。常用的试验有：机械振动试验，机械冲击 试验，恒定加速度试验，引线强度试验，键合强度试验等。常用的环境试验有温度循环 试验，热冲击试验，高温储存试验，潮热试验，高压蒸汽试验，密封试验等。还有一些 特殊的试验如抗核辐射试验等。另外还有可靠性筛选试验，它通过各种方法将有质量问 题而可能发生早期失效的产品予以剔除和淘汰。在可靠性试验中用于失效分析损伤探测 的仪器主要有超声显微镜，x 射线显微镜等无损检测手段以及扫描电子显微镜，透射电 子显微镜，离子探针，俄歇电子能谱分析仪，红外热分析仪等【1 2 1 。 1 2 2 焊点失效准则研究概况 焊点失效，是指在设计所规定的时间内和使用条件下，按照所应用的失效准则，丧 失了焊点所应承担的效能。因此，焊点的失效可分为两类：一是焊点的机械连接失效， 指焊点发生断裂，完全失去原来的功能，发生永久性损坏。二是焊点的功能失效，表现为 焊点的某些参数随工作时间延长或工作环境变化等因素而发生蜕变。对机械连接失效比 较容易判断，当焊点完全断裂开时即发生了永久性损坏；但是，对焊点功能失效的评判 标准，不同的研究者有不同的看法。在焊点服役过程中监测其电阻变化是焊点可靠性测 试的常用方法，基于焊点电阻变化而制订的焊点功能失效标准有以下几种： 电子工业中普遍使用的失效准则有四个【”。16 1 ，分别是：1 9 9 2 年1 1 月出版的 i p c s m 7 8 5 ，2 0 0 2 年1 月出版的i p c 9 7 0 1 ，2 0 0 3 年7 月出版的j e s d 2 2 b 1 1 l 以及2 0 0 4 年6 月出版的i p c j e d e c 9 7 0 2 。另外，还有一些公司根据这些标准制订了自己的失效标准( 详 见表1 2 ) 。 3 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 表1 2 刊载的一些大规模的电子公司使用的失效准则【1 7 l 企业组织机构所用的失效准则 口c s m 7 8 5 和i p c - 9 7 0 1 p c 9 7 0 1 c s m 7 8 5 口c s m 7 8 5 厄s d 2 2 b l l l 口c s m 7 8 5 口c 9 7 0 1 类似于i p c 9 7 0 1 i p c s m 7 8 5 是于1 9 9 2 年1 1 月出版的。在i p c s m 7 8 5 中，失效准则的描述是基于焊 点失效的三个重要特征：电阻的增长量，瞬时电阻脉冲的持续时间，瞬时电阻脉冲发生 的频率。关于电阻增长量标准，i p c s m 7 8 5 中规定了两个明确的值，即：当样品电阻增 长3 0 0 f 1 以上或1 0 0 0 f 2 以上时被认为失效。i p c s m 7 8 5 还指出焊点的早期失效通常表现为 短时间的电阻脉冲现象，规定出现了持续时间l g s 以上的瞬时电阻脉冲即可认为样品失 效。为了区别瞬时电阻脉冲和噪声脉冲，i p c s m 7 8 5 规定第一次瞬时电阻脉冲出现后在 1 0 的时间内必须有9 个相似的瞬时电阻脉冲出现，如图1 3 所示，才能认为样品满足失 效的条件。 o 、 圜 脚 k h + o 1t - 时间，r a i n 图1 3 飞利浦公司对“1 0 e 的时间内有9 个瞬时电阻脉冲”竹解释示意图【1 7 1 t e 表示第一个电阻脉冲的出现时间 在i p c 一9 7 0 1 中，根据所选择的测试技术不同，焊点失效准则有两种不同的定义方法： 一种是用瞬时电阻脉冲探测仪测试试样可靠性，失效准则类似于i p c s m 7 8 5 ，即：雏菊 链电阻增长1 0 0 0 f 2 以上或者瞬时电阻脉冲持续时间超过l t t s ，并且在第一次瞬时电阻脉冲 出现后，在1 0 的时间内有9 个以上的瞬时电阻脉冲出现，样品被认为失效。另一种是 4 a b c d e f g h 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 通过实验记录的电阻数据列表判断试样的可靠性，失效准则是采用电阻相对值而不是用 绝对电阻值，即：当样品的电阻增量为初始值的2 0 时被认为失效。 i p c j e d e c - 9 7 0 2 中，失效准则类似于i p c 9 7 0 1 的第二种定义，当雏菊链的电阻增量 为初始值的2 0 即被认为失效。但是这个标准允许根据测试设备的能力及雏菊链的特殊 形状修改2 0 的限制条件。 j e s d 2 2 b 1 1 1 是专门针对板级跌落测试而制订的焊点失效准则。根据所选择的测试 仪器不同，焊点失效准则有类似于i p c 9 7 0 1 的两种不同定义方法。此外，这个标准还指 出如果测试中出现器件和测试板的脱离现象，这时即使没有出现电阻增长或瞬时电阻脉 冲现象，试样也被认为失效。 1 7 0z 2 3 02 6 02 ! i 搠3 2 0j ，03 5 04 1 04 4 04 1 05 0 0 ，o 瑚f l g o l l i 硫g q tn 图1 - 5 电阻增量超过初始值的1 0 后成为稳定值，一直持续到电路开路【1 8 1 除了上述四个电子工业常用的失效准则外，还有两个关于失效准则的学术研究值得 注意。1 9 9 9 年，w a n gzp 等人in s 】在热循环条件下对芯片尺寸封装的电路板进行可靠性 测试，发现了两种不同的电阻增长模式：一种是电阻增长超过初始值的1 0 后会继续迅 速的增长直到电路开路，如图1 - 4 所示；当电阻增长量达到初始值1 0 时，器件的功能开 始出现明显的蜕化，这种情况就把1 0 作为失效准则；另一种是电阻增量超过初始值的 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 0 后不会继续增长，而成为一个稳定值，一直持续到电路开路，如图1 5 所示，这种情 况就认为焊点断裂开时才发生失效。这个失效准则的提出在当时的电子封装领域引起了 很大的关注。 与w a n gzp 等人提出的失效准则不同，2 0 0 2 年，f r a n ks t c p n i a k 1 9 】发现焊点在失效 点处的电阻增长量敏感地依赖于实验所用的测试条件。他在5 0 至u + l s 0 和4 0 到 + 1 2 5 两种不同的热循环条件下测试了试样在疲劳损伤过程中的电阻变化，结果表明： 测试条件越苛刻，试样在失效点处的电阻增长量将越大，如图1 6 、图1 7 所示。因此， 他提出要根据测试条件的苛刻程度，使用不同的失效准则，不能用一个简单的值判定焊 点是否失效。 a 、 墨 图l _ 6 - 5 0 至 j + 1 5 0 c 条件下，失效点的电阻增量图1 7 - 4 0 到+ 1 2 5 条件下，失效点的电阻增量 还有一些资料则根据实际测量经验，把焊点电阻变化量为初始电阻的1 0 或2 0 作为失效标准。例如：吴丰顺等【2 呲1 】在研究倒装焊点的电迁移失效中，当样品电阻值 增加1 0 时，判定测试样品失效。日本富士通公司技术人员对该公司手机电路板( b g a 焊点) 进行温度循环测试和跌落测试，测试时在线路板和器件之间设计了一个雏菊形链 状连接，当雏菊链的阻抗出现1 0 9 上波动时，测试样品将被判定为失效【捌。l gs e m i c o n 公司【2 3 】、f l i pc h i pt e c h n o l o g i e s 公司【2 4 】等，对菊花链连接的样品进行加速热循环试验， 试验期间监测每个菊花链电路的电阻，当电阻值增加2 0 或更多时认为焊接点失效。这 些失效标准都是基于经验，其准确性有待考证。上述这些标准都是基于焊点损伤过程中 的直流电阻变化制订的。 另外，针对当前电子系统的时钟频率由以前的几十k h z 级逐步提高到百m h z 甚至 上g h z 级的情况，d a e i lk w o n 掣2 5 2 7 】还提出了用射频阻抗监测焊点可靠性的方法。d a e i l k w o n 等用矢量网络分析仪和万用表同时在线测试了s n p b 焊点样品在循环剪切应力作 用下的射频阻抗和直流电阻，发现在射频条件下，由于趋肤效应的存在，信号的传输主 要集中在器件的表面，焊点受损过程中其表面的微裂纹即可引起射频阻抗的增加：而直 流电阻法只有在裂纹比较大甚至即将断裂时才能监测到电阻的增长，它对裂纹的响应时 间较迟，不能有效监测裂纹萌生的初期阶段，实验结果如图1 8 和表1 3 所示。因此， 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 他提出在射频电路中，射频阻抗是监测焊点性能蜕化的一个有效参数，能对焊点功能的 蜕化提出更早的警告，更准确地预测焊点的寿命，有效预防故障的发生，提高产品的安 全性。但是射频阻抗的测量只能在实验室中进行，测试所用的矢量网络分析仪的价格通 常是直流电阻测量设备的上百倍，其成本是非常昂贵的，因此，在实际应用中可通过测 量射频阻抗增加引起的传输信号参数变化或根据传输信号的误码率来判定焊点的蜕化。 晕 榻 搬 吝； 1 e 配 目 g “ 嘲 甜 境 硼 图1 - 8 损伤测试中焊点射频阻抗和直流电阻的比较瞵】 表1 0 3 直流电阻法所测的失效时刻与射频阻抗法测得的失效时刻的比较【2 6 1 1 3 焊点信号传输失效问题的研究 如1 2 节所述，焊点损伤过程中产生的裂纹，在低频或直流时主要引起焊点直流电 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 阻的增长，因此，可通过在线测试直流电阻的变化监测焊点可靠性的下降：但是在高频 阶段，焊点内部裂纹的生长不仅会引起焊点交流电阻的变化，还会产生寄生电感和分布 电容。由于寄生电感和分布电容的存在，当传输信号经过受损焊点时，会导致信号幅度 的衰减、波形的失真或时间的延迟，在电路系统中出现误触发信号，使得输入的畸变数 据被送入锁存，或在畸变的时钟跳变沿捕获数据，接收端信号不能正常响应，最终造成 系统工作异常和性能下降。 焊点作为电子封装互连点除了保证机械连接外，还要确保电流和信号的正确传输。 如果丧失了其中的某项功能，焊点就失效了。理论上，在机械失效前电流传导没失效， 但可能电信号传输失效，即焊点在传输电信号时造成误码或是波形失真，尽管此时的焊 点没有断开，能导电，但是由于其传输信号的误码率增高，导致电路系统不能正常工作， 就认为焊点已经失效了。因此，在高频情况下，可通过研究焊点损伤过程中的信号传输 失效特性来反映焊点的蜕化。 信号传输失效特性即信号的完整性问题。信号的完整性是指信号通过物理电路传输 后，信号接收端看到的波形与信号发送端发送的波形在容许的误差范围内保持一致，并 且空间邻近的传输信号间的相互影响也在容许的范围之内【2 8 】。信号完整性问题与信号时 序、信号在传输线上的传输延迟、信号波形的失真程度密切相关2 9 1 。破坏了信号完整性 将直接导致信号失真、定时错误，以及产生不正确数据、地址和控制信号，从而造成系 统误工作，甚至导致系统崩溃。信号完整性损伤根源于电路的互连，主要包括信号过冲 和下冲、信号反射、串扰、接地跳动、定时抖动、信号迟延等几个方面【2 9 3 i 】。 过冲指信号跳变的第一个峰值( 或谷值) 超过规定值对于上升沿是指最高电压， 而对于下降沿是指最低电压。下冲指信号跳变的下一个谷值( 或峰值) 。信号过冲和下冲 是由集成电路切换速度过高以及信号传输路径反射引起的，在驱动器和接收器之间的多 次反射会形成阻尼振荡，若振荡幅度超过集成电路的输入切换门限，会导致时钟出错或 数据的错误接收，过分的过冲还可能造成集成电路内部的元件过压，甚至损坏。 反射就是传输线上的回波。当信号在传输线上传播时，只要遇到了阻抗变化，就会 发生反射。这可能发生在传输线的末端它由阻抗不匹配所引起，也可能由传输线的 几何结构的不连续性导致，如过孔、拐角等。这时入射信号的一部分将沿着与原传播方 向相反的方向反射回源端，而剩余的那部分将沿原方向继续传播。 串扰是没有电气连接的信号线之间的感应电压和感应电流导致的电磁耦合。这种耦 合分为容性耦合和感性耦合。容性耦合是因为信号线间存在互容，高频电流就会从一根 信号线串入另一根信号线，破坏被干扰信号线上的信号质量。感性耦合是指信号线上的 高频电流会产生磁场，从而在其它闭合电路中产生感生电压，破坏被干扰电路上的信号 质量。 由于芯片封装与电源平台间的寄生电感和电阻的存在，当大量芯片内的电路输出级 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 同时动作时会产生较大的瞬态电流导致电源线上和地线上电压波动和变化造成电路接 地参考电平的偏移。接地跳动由过流、电源或接地回路阻抗引起。 当数字信号在周期间包含有微小的边沿位置变动时，就会产生抖动。这种抖动将影 响整个数位系统的定时准确性和同步。 信号迟延表明数据或时钟信号没有在规定的时间内以一定的持续时间和幅度到达 接收端。集成电路只能按规定的时序接收数据，过长的信号迟延可能导致时序违背和功 能混乱。信号迟延是由驱动过载、走线过长的传输线效应引起的。传输线上的等效电容、 电感会对信号的数字切换产生延时，影响集成电路的建立时间和保持时间，迟延足够长 会导致集成电路无法正确判断数据。 目前国内外对信号传输失效的研究主要集中在对p c b 板级【3 2 0 3 1 和互连线【蚓的研究 上，对焊点损伤引起的信号完整性问题及焊点信号传输失效特性的研究还没有报道。因 此，从信号传输失效的角度来研究焊点的失效具备很强的实用价值和重要的意义。 1 4 本文主要研究内容 本文在充分总结和分析焊点失效准则研究现状和水平的基础上，对低频情况下焊点 损伤引起的直流电阻变化曲线特性及失效准则进行探讨；另外，对高频情况下焊点损伤 引起的交流电阻、电感、电容参数的变化及传输信号的失效特性进行初步的研究。 论文的主要内容和组织结构如下： 第一章，概述性的介绍无铅焊料的使用现状及发展趋势，焊点失效准则研究概况和 高频电路的信号完整性问题，阐述课题的研究意义。最后给出论文的组织结构。 第二章，分析焊点服役过程中的内部微观组织结构变化，建立受损焊点的理论模型。 结合电阻定义式，从理论上分析焊点损伤过程中直流电阻的变化规律。结合交流电阻、 电容、电感计算公式，分析焊点损伤过程中交流电阻、电容、电感的变化规律，为焊点 损伤过程中的参数变化提供理论基础。 第三章，对焊点在室温剪切拉伸、高温剪切拉伸、热循环剪切拉伸三种不同条件下 的电阻应变曲线临界点进行研究，找出其共同特性。并结合损伤理论，证明电阻应变临 界点和损伤临界点的对应关系，建立基于电阻应变临界点的无铅焊点失效准则。 第四章，对本文所用的仿真软件o r c a d p s p i e e 进行简要介绍。并结合第二章对焊 点损伤和电学参数理论关系的分析，建立无铅焊点的高频等效电路模型。最后，通过仿 真，确定特性分析类型，并设置参数。 第五章，利用o r c a d p s p i c e 软件仿真焊点在损伤过程中的信号传输失效特性，并 对信号传输失效的机理进行探讨。 第六章，总结研究工作的成果与结论，并对进一步的研究工作提出展望。 9 中南大学硕十学位论文 第二章焊点损伤与电学参数的理论关系 第二章焊点损伤与电学参数的理论关系 焊点服役过程中，在应力作用下，微裂纹往往在焊点强度薄弱的位置萌生。这些薄 弱位置包括晶界、夹杂物、强度相对薄弱的相等，一旦这些位置受到不利的应力作用， 微裂纹会在这些位置萌生。在外载的持续作用下，微裂纹会慢慢聚集、扩展，形成损伤。 电阻是由于晶体结构对电子波的散射引起的，因此电阻具有组织敏感性，金属材料的显 微组织与相结构发生变化，必将引起电阻的变化【3 5 1 。从微观角度考虑，焊点电阻的变化 可分析为，一旦焊点内部产生微裂纹，裂纹面处原子与原子发生分离，电流就不能沿与 裂纹面垂直的方向通过；裂纹尖端由于存在应力奇异性，不同程度地会在裂纹尖端产生 塑性变形，使原子间距发生变化，从而导致焊点导电性能的变化【3 6 】。因此，焊点在服役 过程中，其损伤特性和电学特性存在一定的关系。这种关系在低频时表现为直流电阻的 变化，因此可用直流电阻或直流电阻应变来反映焊点的损伤过程。但是随着器件或者系 统的工作频率升高，高频效应开始显现，这种情况下直流电阻并不是评价焊点可靠性的 唯一指标。驻波效应、寄生电感以及分布电容都对焊点交流阻抗起制约作用，因此，在 高频电路中，除了直流电阻外，还必须考虑寄生电感、分布电容等因素。 2 1 受损焊点的理论模型 焊点内部由于原子并不处于静止状态，存在着外来原子引起的点阵畸变以及一定的 缺陷，基本结构虽然仍符合规则性，但绝不是设想的那样完整无缺，而是存在数目不同 的各种形式的缺陷。同时，在焊接过程中，焊料中的助焊剂受热后挥发且未能在焊料表 面凝固前溢出，因而焊点内一般存在大量的孔洞。因此，在焊点未受损伤时，内部存在 细小的裂纹或孔洞，如图2 1 所示。 图2 - 1 焊点内部存在细小的裂纹或孔洞 在焊点服役过程中，外载的持续作用使这些内部裂纹不断生长，这一阶段称之为裂 纹生长阶段，如图2 - 2 所示。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章焊点损伤与电学参数的理论关系 图2 - 2 焊点内部裂纹开始生长逐渐变大 随着焊点内部裂纹的生长变大，裂纹之间开始合并，形成主裂纹，这一过程加速了 焊点的断裂。这一阶段称之为裂纹联合阶段，如图2 3 所示。 图2 - 3 裂纹之间合并裂纹加速变大 若将焊点损伤过程中其内部裂纹、缺陷等效为一矩形裂纹，如图2 _ 4 所示。 图2 - 4 焊点内部等效裂纹模型 假设，在焊点受损过程中，等效矩形裂纹的宽度与焊点宽度相同为w ，并且在整个 损伤过程中保持不变；裂纹间隔为d ，在损伤过程中也保持不变：裂纹的长度随焊点损 伤程度的变化而增加，设t 时刻的等效裂纹长度为珥，则焊点的直流电阻及交流阻抗等 电学参数均随m 的变化而变化。 2 2 等效裂纹与直流电阻 焊点的直流电阻r 眦，正比于焊点电流流动方向的长度，反比于焊点的横截面面积。 中南大学硕士学位论文 第二章焊点损伤与电学参数的理论关系 焊点 b ， 图2 - 5 焊点试样的电流方向示意图 若沿焊点厚度方向通电流，如图2 5 所示。则焊点的直流电阻为： 尺d c = p 告 ( 2 - 1 ) 式中：p 为焊料的电阻率，s 为焊点在与电流相互垂直方向上的等效横截面积，h 为焊 点的厚度。 焊点内部没有裂纹时，s = w ，w 、，分别为焊点的宽、长。则焊点的初始电阻为： 尺w 。= p 圭 ( 2 2 ) 随着裂纹的生长，焊点在与电流相互垂直方向上的等效横截面积逐渐减小。假设在 裂纹生长过程中焊点的形变量很小可忽略不计，即焊点的长度，的变化忽略不计。则裂 纹生长过程中，焊点电阻尺d c 计算为： r d c 2p 击 ( 2 - 3 ) w ，一j 其中，为焊点裂纹在与电流相互垂直方向上的等效面积。由2 1 节等效裂纹的假设， 可得到s 的表达式： 5 c2 口f s t ( 2 - 4 ) 结合式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) ，可得到焊点损伤过程中，电阻值和等效裂纹长度之间的关 系式为： r v c = p 赤a 芦矗与 协5 ， w 。，一。ww i ，一口) 式( 2 5 ) 表明，在低频时可以通过在线测量焊点直流电阻的方法研究焊点内部裂纹( 等 效裂纹) 的生长情况。当a t 为零时，焊点无裂纹，则r d c = r n c o ；当口f 较小时，焊点裂 纹较小，则尺胞r n c o ；当口f 较大时，焊点裂纹长大，则r d c r n c o ；当a ，= ，时，焊 点断裂，则尺d c 专o o 。 1 2 中南太学硕士学位论文第二章焊点损伤与电学参数的理论关系 23 等效裂纹与交流阻抗 焊点的交流阻抗包括交流电阻和电抗。在高频时，由于趋肤效应的影响，焊点的 交流电阻及电抗都会随着频率的变化而变化。 231 趋肤效应 尽管直流电流在导体的整个横截面上是均匀分布的，但是交流电流却趋向于集中在 导体的表面附近。频率愈高，电流愈集中在表面这种物理现象被称为趋肤效应唧，如图 2 - 6 所示。电流渗入导体的程度由趋肤深度占来衡量。 毒 直寝 t e & ! 图2 - 6 趋肤效应下的电流分布d 目 由麦克斯韦方程第一方程的复数形式： v x 五： w j ：，( 卜，! ) i ：j m ；i ( 2 6 ) 电磁波在导体中传输可以认为是波在导电媒质中传输的特例。当导体材料满足 旦 i 时，导体的复介电常数为： ；= s ( 卜，马“一，! ( 2 7 ) 因而，导体材料的传播常数为 凶压m 面= 厚一，浮廿，a 沼s ， 所蚰母j 警 其中，口表示衰减常数，即波在传播中的衰减的快慢；卢表示为相位常数，即波在 传播中的相位的变化；m 为角频率：为磁导率；口为电导率。 电场和磁场的振幅随着距离按指数规律e 咄衰减，其衰减的快慢取决于口。趋肤深 度j 定义为电流密度衰减至导体表面电流密度的l e ( 即0 3 7 ) 时的渗入深度。则当 a 5 = i 时，波的振幅降为1 e ，因此 扣= j 嘉5 j 去 中南大学硕士学位论文 第二章焊点损伤与电学参数的理论关系 式中，万为趋肤深度；厂为频率；仃为材料的电导率；为材料在真空中的磁导率。 趋肤深度也可以解释为空心导体的等效厚度，即此空心导体的整个横截面上载以均 匀分布的电流，其外形与实际导体的外形相同，而它的直流电阻则与导体的交流电阻相 同。 表2 - 1 中给出了几种金属的趋肤深度【3 7 1 。根据表2 1 作出焊料的趋肤深度与频率之 间的关系曲线如图2 7 所示。 袁2 - i 常用金属的趋肤深度和频率关系式 堑型塑翌皇量奎生堑壁堡鏖鱼! 竺! 银1 0 5 万= 6 4 6 , 7 铜 铝 黄铜 焊料 1 0 0 0 6 l 0 2 6 o 1 2 万= 6 6 2 , 7 8 = 8 4 7 n 艿= 1 2 9 8 , 7 万= 1 9 1 1 , 7 颤辜溉 图2 7 焊料趋肤深度随频率的变化 2 3 2 等效裂纹与焊点交流电阻 ( 1 ) 交流电阻与直流电阻之间的关系 在高频时，导体中的电流受趋肤深度的限制而集中在导体的表面，因此导体的交流 电阻大约为【柏l ： 1 4 中南大学硕士学位论文第二章焊点损伤与电学参数的理论关系 之户去= p 警 ( 2 - 1 0 ) 其中，凡c 表示高频时导体的交流电阻；，表示导体的长度；w 表示导体的宽度；万 表示趋肤深度；k ，是与材料有关的常数。 由式( 2 1 0 ) 容易得出，导体在高频时的电阻与低频或直流时的电阻之比约为 r c 尺d c = h , s ( 2 1 1 ) 其中，h 表示导体的厚度。 ( 2 ) 等效裂纹与焊点交流电阻 根据交流电阻与直流电阻之间的关系，结合式( 2 5 ) 和式( 2 1 1 ) 容易得出，焊点 交流电阻与等效裂纹之间的关系为： r c2 否i r 一万1p i i ( 2 ，2 ) “厢p 矗与a 仃 w i l 一j 由式( 2 1 2 ) 容易得出：焊点的交流电阻与等效裂纹长度和传输信号的频率有关。 等效裂纹长度越长，传输信号的频率越高，焊点的交流电阻越大。 2 3 3 等效裂纹与电容 焊点损伤过程中由于内部裂纹的产生会形成电容，裂纹越大，电容将越大。电容对 于描述信号的失效特性起着重要的作用。若将此电容视为平行板电容，其计算公式为： c ：笪( 2 1 3 ) d 式中，毛为真空中的绝对介电常数，占，为板之间介质的相对介电常数，( 对于空气g ，= 1 ) ， s 为板的正对面积，d 为板的间距。 结合2 1 节建立的焊点内部等效裂纹模型，并根据式( 2 1 3 ) 容易得到，焊点损伤 过程中，等效裂纹与电容之间的关系如式( 2 1 4 ) 所示： c = 鱼：! ：鱼：! = 鱼：鱼：!( 2 1 4 ) dd 由2 1 节等效裂纹的假设，w 和d 在焊点损伤过程中保持不变，因此，焊点电容随 等效裂纹长度a 。的增大而增大。 2 3 4 焊点自感 焊点的感抗由角频率国和自感三的乘积确定。自感反映了焊点抑制其内部电流流向 l s 中南大学硕士学位论文第二章焊点损伤与电学参数的理论关系 变化的特性。由于高频趋肤效应改变了焊点内的电流分布，所以焊点的自感量亦随着频 率的变化而变化。 ( 1 ) 关于导体电感的理论公式 根据相关参考文献【3 7 1 ，一根直的圆导体的自感由下式给出： l = 0 0 0 2 l ( 2 3 0 3 1 9 - - 等- 一1 + 以k ) ( 2 1 5 ) 式中，三为电感；，为导体长度；d 为导体直径：k 为趋肤效应的修正系数。 对于低频，可以假定电流在整个导体的横截面内流动。一根长度为z ，直径为d ， 相对磁导率为以的直圆导体，其电感量为( 若周围是空气时) ： = 0 0 0 2 l ( 2 3 0 3 l g 詈1 + 等)( 2