（电子科学与技术专业论文）基于阻抗法无铅焊点的损伤特性研究.pdf

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 研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：么2 边! 蓬 日期：塑! 兰年上月竺日 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。 作者签名：圣逸蒸噻导师签名 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 损伤是反映无铅焊点失效的一个重要参量，研究焊点损伤特性对分析 焊点机械性能、电学性能以及寿命预测等具有重要意义。直流微电阻测量 方法已被证实能有效地反映焊点损伤状态与过程，但随着时钟频率与通讯 频率的提高，直流微电阻测量方法监测高速电子产品焊点的损伤状态与过 程的应用受到了限制。焊点阻抗特性与损伤特性之间的关系成为研究的热 点。以无铅焊点为对象，在分析焊点介观结构的基础上，利用剪切蠕变损 伤机理、焊点失效物理模型等理论，结合高频效应的影响，建立无铅焊点 的阻抗等效模型，推导出焊点交流电阻、电容、电感、固有频率及阻抗与 损伤变量间的关系，分析各电参数随损伤的变化规律；应用反射理论建立 无铅焊点网络分析模型，得到焊点阻抗与反射系数间的关系，进而得到焊 点损伤变量与反射系数的关系；采用t d r ( 时域反射法) 测量焊点损伤 过程中的阻抗变化验证理论推导。主要结论有：趋肤效应反映到焊点阻抗 特性上主要影响焊点的交流电阻。交流电阻较直流电阻对焊点损伤敏感。 在焊点受损过程中，交流电阻缓慢非线性增大，当焊点未损伤区长度比趋 肤深度小时，交流电阻突变，且信号频率越高，交流电阻突变时间越靠近 焊点断裂时刻。随着损伤增大，焊点电感减小，电容增大，固有频率不断 减小，但当焊点损伤约至5 0 时固有频率变化缓慢。当信号频率低于 1 m h z 时焊点阻抗随损伤变化规律与直流电阻相近；当信号频率在1 m h z 与1 g h z 范围内时，阻抗缓慢减小；当信号频率达到1 0 g h z 时，阻抗非 线性增大；当信号频率高于1 0 g h z 时，焊点会发生谐振现象，并且信号 频率越高，谐振时间越靠近焊点损伤线性变化阶段。当信号频率低于 10 7 g h z 时，焊点相位缓慢减小，且信号频率越高，相位变化越显著，当 信号频率高于1 0 7 g h z 时，焊点相位从约9 0 0 变为约9 0 0 ，并且信号频率 越高，相位正负转变的时间就越靠近焊点损伤线性变化阶段。因此，在高 频信号下，焊点发生信号传输失效超前于机械失效。t d r 阻抗测量试验 结果证实了阻抗实部的理论推导。 关键词无铅焊点，损伤特性，损伤变量，阻抗，时域反射法 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d a m a g ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rw h i c hr e f l e c t st h ef a i l u r eo fl e a d f r e e s o l d e ri o i n t s ，t h es t u d i e so fm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，e l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e a n dl i f ep r e d i c t i o no fs o l d e rjo i n t sh a v es i g n i f i c a n c ef o ra n a l y s i st h ed a m a g e c h a r a c t e r i s t i c so fs o l d e r jo i n t s t h em e t h o do fd cm i c r or e s i s t a n c e m e a s u r e m e n th a sb e e np r o v e ne f f e c t i v et or e f l e c tt h es o l d e ri o i n td a m a g e s t a t u sa n dp r o c e s s ，b u ta st h ei m p r o v e m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o nf r e q u e n c y a n dc l o c kf r e q u e n c y ，d cm i c r or e s i s t a n c em e a s u r e m e n tm e t h o d sc a nn o tb e u s e di nm o n i t o r i n gt h es o l d e rj o i n tr e l i a b i l i t yo fh i g hf r e q u e n c ye l e c t r o n i c p r o d u c t s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd a m a g e c h a r a c t e r i s t i c so fs o l d e rjo i n t sh a sb e c o m ear e s e a r c hh o ts p o t u s i n gl e a d f r e e s o l d e rj o i n t sa sf o rt h er e s e a r c ho b j e c t ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em i c r o s t r u c t u r eo fs o l d e rjo i n t s ，e s t a b l i s ht h ei m p e d a n c ee q u i v a l e n tm o d e lo f l e a d - f r e es o l d e rjo i n t sb yu s eo fs h e a rc r e e pd a m a g em e c h a n i s m ，p h y s i c a l m o d e la n d t h e o r yo fs o l d e rf a i l u r e ，c o m b i n e dw i t ht h ee f f e c to fh i g hf r e q u e n c y ， a n dd e d u c et h er e l a t i o n sb e t w e e ns o l d e rr e s i s t a n c e ，c a p a c i t a n c e ，i n d u c t a n c e ， i m p e d a n c ea n dd a m a g ev a r i a b l e ，a n a l y s i st h ec h a n g el a wo fa l lt h ee l e c t r i c p a r a m e t e rw i t hs o l d e rj o i n td a m a g e ；u n d e r t h ea p p l i c a t i o nr e f l e c t i o nt h e o r y ，a l e a d f r e es o l d e r jo i n t sn e t w o r ka n a l y s i sm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e ns o l d e r i m p e d a n c ea n dr e f l e c t i o nc o e f ! 丘c i e n t t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o l d e rjo i n td a m a g ev a r i a b l e sa n dr e f l e c t i o nt o e m c i e n t r e l a t i o n sa r ed e d u c e d ；t h et e s to fi m p e d a n c ei nt h ed a m a g ep r o c e s so fs o l d e r jo i n t st h r o u g ht h em e t h o do ft d rt ov e r i f yt h et h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n n l e m a i nc o n c l u s i o n sa r ei n c l u d e d ：t h em a i ne f f e c to fs k i ne f f e c to ni m p e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c so fs o l d e ri o i n t si st h ea cr e s i s t a n c e a cr e s i s t a n c ei sm o r e s e n s i t i v et os o l d e rjo i n td a m a g et h a nd cr e s i s t a n c e i nt h ed a m a g ep r o c e s so f s o l d e rjo i n t s ，a cr e s i s t a n c ei n c r e a s e ss l o w l y ，t h e nr u n su ps u d d e n l yw h e nt h e l e n g t ho fu n d a m a g e da r e ai sl e s st h a nt h es k i nd e p t h ，a n dt h eh i g h e rt h e f r e q u e n c yo fs i g n a l ，t h ec l o s e rt ot h ef r a c t u r e dt i m eo ft h em u t a t i o no fa c r e s i s t a n c e a l o n gw i t ht h ed a m a g ei n c r e a s e ，t h ei n d u c t a n c eo fs o l d e rjo i n t s d e c r e a s e s ，a n dt h ec a p a c i t a n c eo fs o l d e rio i n t si n c r e a s e s ，t h ei n h e r e n t f r e q u e n c yc o n s t a n t l yd e c r e a s e ，b u tw h e nt h ed a m a g ea r r i v et o50 ，n a t u r a l f r e q u e n c yc h a n g e ss l o w l y w h e nt h es i g n a lf r e q u e n c yi sl e s st h a n1m h z ，t h e i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t 一- - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - 。- 。_ 。一 r u l eo fi m p e d a n c ec h a n g ei ss i m i l a rt od cr e s i s t a n c e ；w h e nt h es i g n a l f r e q u e n c yi sb e t w e e n1 姚a n d 1g h z ，i m p e d a n c es l o w l yd e c r e a s e s ；w h e n t h es i g n a lf r e q u e n c yi su pt o10 g h z ，i m p e d a n c en o n l i n e a r l yi n c r e a s e s ；w h e n t h es i g n a lf r e q u e n c yi sh i g h e rt h a n10 g h z ，t h er e s o n a n c ep h e n o m e n o nw i l l h a p p e n ，a n dt h eh i g h e rt h ef r e q u e n c y ，t h ec l o s e rt ot h ep h a s eo fl i n e a r l yo f s o l d e ri o i n td a m a g e a st 1 1 es i g n a lf r e q u e n c yi sb e l o w10 7 g h z ，t h ep h a s e r e d u c e ss l o w l y 。a n dw h e nt h es i g n a lf r e q u e n c yi sa b o v e10 7 g h z ，m ep h a s eo f s o l d e rj o i n tc h a n g e sf r o ma b o u t9 0 0 t o 一9 0 0 ，a n dt h eh i g h e ro fs i g n a lf r e q u e n c y ， t h ec l o s e ro ft h et i m eo fp o s i t i v ea n dn e g a t i v ep h a s ec h a n g et ot h ep h a s eo f l i n e a r l yo fs o l d e ri o i n td a m a g e t h e r e f o r e ，t ot h eh i g hf r e q u e n c ys i g n a l ，s o l d e r io i n t ss u f f e re l e c t r i c i t yf a i l u r ee a r l i e rt h a nm e c h a n i c a lf a i l u r e n l er e s u l t so f 勰i m p e d a n c em e a s u r e c o n f i r mt h et h e o r yd e d u c t i o no ft h e r e a lo f i m p e d a n c e k e yw o r d sl e a d f r e e s o l d e rjo i n t s ，d a m a g ec h a r a c t e r i s t i c s ，d a m a g e v a r i a b l e ，i m p e d a n c e ，t d r i h 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 第一章绪论1 1 1 无铅焊点损伤特性研究1 1 1 1 无铅焊点力学损伤特性2 1 1 2 无铅焊点电学损伤特性3 1 1 3 无铅焊点损伤特性测试方法4 1 2 无铅焊点损伤特性电测法研究5 1 2 1 无铅焊点损伤特性直流电阻法5 1 2 2 无铅焊点损伤特性阻抗法6 1 3 本文主要研究内容及结构9 第二章无铅焊点阻抗等效模型1 0 2 1 互连焊点的寄生效应1 0 2 1 1 趋肤效应。1 0 2 1 2 邻近效应1 2 2 1 3 衬底效应。13 2 2 无铅焊点的建模与分析1 3 2 2 1 焊点的介观结构1 4 2 2 2 焊点损伤与损伤变量。15 2 2 3 焊点的物理等效模型。1 6 2 2 4 焊点阻抗等效模型1 7 2 3 无铅焊点电参数与损伤的关系分析1 9 2 3 1 焊点电阻与损伤1 9 2 3 2 焊点电感与损伤。2 5 2 3 3 焊点电容与损伤。2 6 2 3 4 焊点阻抗与损伤。2 8 2 3 5 焊点阻抗相位与损伤。3 5 2 3 6 焊点固有频率与损伤3 9 2 4 本章小结4 1 第三章无铅焊点的网络分析4 2 3 1 传输线理论分析4 2 3 1 1 传输线模型4 2 3 1 2 传输线与反射4 4 3 2 网络理论分析4 7 3 2 1 阻抗参数4 7 3 2 2 反射系数与阻抗参数关系4 7 3 3 反射系数与焊点损伤4 8 3 4 本章小结51 第四章无铅焊点阻抗测试试验研究5 2 4 1 焊点阻抗测试原理及方案5 2 中南大学硕士学位论文 目录 4 2 焊点阻抗测试系统设计5 3 4 2 1 测试系统框图5 3 4 2 2 阻抗匹配设计5 3 4 2 3 阻抗测试电路板设计5 5 4 3 实验结果分析5 5 4 4 实验误差分析5 8 4 5 本章小结5 8 第五章总结与展望5 9 5 1 总结5 9 5 2 展望6 0 参考文献6 1 致谢。6 6 攻读硕士学位期间的主要研究成果。6 7 v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 无铅焊点损伤特性研究 第一章绪论 自电子工业的初始阶段起，锡铅焊料因具有良好的焊接和使用性能而为大多数的 电子产品所使用。从成本、实用性、电学、化学和机械性能等方面来考量，锡铅焊料 的性能是十分优异的【。但是不断增长的电子垃圾及大部分电子垃圾被填埋处理的方 式已引起全球的密切关注，铅对环境和人体的损害是显而易见的。2 0 0 6 年7 月1 日， 欧盟正式对电子产品实施r o l l s ( r e s t r i c t i o no f h a z a r d o u ss u b s t a n c e s ) 法令【2 】，使得全 球电子产品制造业中采用无铅焊接的趋势不可阻挡【3 ，4 1 。随着锡铅焊接向无铅化发展， 电子封装材料与封装工艺的改变带来的突出问题之一即是无铅焊点的可靠性问题【5 】。 可靠性是指电子产品或元件在规定的条件下与规定的时间内完成规定功能的能 力。在电子产品制造或服役的过程中，若其丧失了规定的功能而不能工作，或者不能 继续可靠地完成预定的功能，那么就称电子产品失效。失效对电子产品来说是一种不 可接受的故障【6 】。在电子封装中，焊点为衬底线路与硅芯片之间、不同封装体之间、 器件和线路板的铜导线之间，以及印制电路板之间提供电连接，并且为各种被连接的 不同器件提供机械支撑。因而，焊点在电子封装中担负着机械连接、电气连接和热连 接等三重作用【_ 7 1 0 】。随着电子产品与器件日益趋于小型化、轻型化和高性能方向发展， 焊点的尺寸越来越小，数目则越来越多，电子产品功能的实现都依赖于这些细小且数 目巨大的焊点来提供可靠的连接【1 ，1 l 】。可以说，焊点贯穿着电子产品的整个生命周期， 同时经历着许许多多完全不同的服役环境。一个焊点的失效极有可能导致电子系统的 整体失效，焊点的可靠性直接影响着整个电子产品的稳定性和可靠性。另外，随着电 子信息产业日新月异发展，芯片功率和时钟频率不断提高，散热性能及信号完整性等 逐渐成为影响电子系统性能的关键性问题，焊点的可靠性对电子封装互连可靠性能的 影响就更重要了。因此，如何保证焊点的质量及其可靠性是电子封装可靠性研究的一 个重要问题【1 2 - 1 6 1 。 目前，无铅焊点可靠性研究的重点主要集中于焊点的损伤失效机理、影响焊点可 靠性的因素、焊点寿命预测、焊点损伤失效检测以及焊点失效判据等方面【2 - 5 ，1 。7 。1 9 】。焊 点可靠性来源于焊点的损伤失效。焊点的损伤失效是指在规定的时间内和规定的使用 条件下，按照失效准则的判定，焊点丧失了其所应该承担的功能。焊点的损伤失效模 式主要有：焊点内部断裂、焊点与金属基板界面间连接的断裂失效、p c b 板的断裂失 效以及焊点掩模痕量失效。通常，焊点与金属基板间的断裂失效发生的最多，焊点内 部产生裂纹为其次，痕量失效及p c b 板断裂发生的较少【2 0 j 。焊点损伤失效主要来源 中南大学硕士学位论文第一章绪论 有：一是来源于生产装配中的焊接故障，例如虚焊、钎料桥连以及曼哈顿现象等【2 1 ，2 2 】； 二是在服役条件下，焊点受到环境温度、湿度、振动等应力作用而产生的损伤与失效 7 , 8 , 1 2 , 2 3 1 。对于焊接工艺与焊接设备已确定的焊点而言，可靠性问题主要是研究焊点在 服役条件下的损伤特性研究【2 0 】。 从无铅焊点可靠性影响因素( 图1 1 ) 及焊点在电子封装中所承担的三重作用来看， 焊点的失效可分为两类：一是力学损伤失效，即焊点机械连接失效，一是电学损伤失 效，即焊点电学性能失效 2 4 1 。目前，国内外对无铅焊点损伤特性的研究主要集中于焊 点在机械力学加载环境下的微观组织结构的变化及力学损伤与失效特性的研究。对无 铅焊点损伤引起的电学损伤与失效特性的研究尚处于起步阶段，尤其是对高频或高速 电子产品焊点可靠性的研究较少。 1 1 1 无铅焊点力学损伤特性 图1 - 1 印制电路板焊点的可靠性 焊点的力学损伤失效主要是由于机械过载和疲劳造成的。当焊点内应力超过焊料 合金的屈服强度时，焊点发生机械过载失效，比如机械测试中的拉伸、跌落、静态弯 曲和冲击等造成的一次性失效。当焊点内应力远低于焊料合金的屈服强度时，焊点经 过周期性加载，如周期性温度变化或者周期性振动，在某特定时间内经历的疲劳损伤 机制，即焊点发生疲劳损伤失效。因此，焊点的力学可靠性是由焊料的蠕变和疲劳交 互作用、焊料和基板界面处的显微组织、焊点的结构尺寸及环境加载速率等共同决定 的。焊料的蠕变和疲劳变形可以分为两个过程：一是由点缺陷、位错线缺陷和面缺陷 的消失、产生和运动所引起的微观组织的变化；二是由上述的这些微观组织变化导致 了组织不连续性的产生，如孔洞和裂纹。焊料与基板界面处的反应形成金属间化合物 ( 订c ) 以实现浸润和冶金连接。但过多的金属间化合物反应会降低焊点强度和可靠 性。随着焊点的老化过程，i m c 不断增厚，i m c 的脆性导致焊点强度下降。同时，在 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 i m c 形成过程中的柯肯达尔效应或者材料密度的降低，在焊料基板界面产生大量孔 洞。在焊点服役过程中，焊点内孔洞、细小裂纹等缺陷在应力应变作用下汇集成核， 形成微裂纹，微裂纹不断扩展，最终导致焊点断裂失效。因此，焊点的损伤主要表现 为焊点微裂纹的产生与扩展u j 。 对无铅焊点力学损伤特性的研究主要集中于焊点损伤过程中微观组织的变化及 其力学性能的变化规律。c e m a lb a s a r a n 等【2 5 】在室温、恒定应力条件下，循环冲 击频率为5 0 h z 、5 0 0 h z 、7 0 0 h z 和1 0 0 0 h z 下分别做试验研究，得到循环冲击频率越 低焊点寿命越短，当冲击频率在7 0 0 h z 以上时，焊点几乎只有纯弹性。x i al i u 等【2 6 】 对b g a 封装焊点进行了振动失效研究，得出在损伤过程中焊点经历裂纹形成、缓慢 扩展和加速扩展等三个阶段。q i a n gy u 等暖7 】应用三维有限元分析，考虑焊点蠕变、弹 性应变和塑性应变，应用疲劳寿命定律c o f f m - m a a s o n 定律预测各种焊点的疲劳强度。 1 1 2 无铅焊点电学损伤特性 焊点的电学损伤，即焊点功能的蜕变，表现为焊点的某些电学参数随焊点工作时 间或者工作环境等因素的变化发生的不同蜕变。无铅焊点的机械特性与电学特性存在 一定的关系。焊点内部裂纹的产生与扩展会使焊点电阻、电感和电容等参数发生改变， 导致通过焊点的信号完整性发生改变，例如振铃、上冲、下冲、时延等波形失真，如 图1 2 所示，最终导致电路与系统的性能下降，甚至不能正常工作。尽管此时焊点的 电压 图1 - 2 焊点损伤引起传输信号完整性1 - 7 题 力学性能可能并未丧失，但是焊点的电学性能可能已完全丧失，即发生电损伤失效【2 4 】。 孙斌祥等【2 8 】用电阻变化法来预测金属材料的剩余寿命，研究表明金属材料的电阻率随 损伤发展演化不断增大，在损伤较大时，电阻率增大变得非常明显，而且最后阶段具 有突变的性质。熊华清等四以单个b g a 焊点为研究对象，运用三维电磁场仿真软件 中南大学硕士学位论文第一章绪论 i - i f s s 分析焊点空洞对信号传输性能的影响，表明焊点内部空洞的体积增大或数目增 加均会使焊点的回波损耗增大。刘彬【3 0 】应用电阻法对锡基无铅焊点的可靠性进行研 究，表明时效裂纹和金属间化合物的生长会导致焊点电阻率的变化，焊点电阻增大5 后，焊点内部损伤加剧，可判定焊点可靠性时效。 随着时钟频率和通讯频率的提高，电子产品的可靠性与稳定性对焊点信号完整性 的要求也越来越高，无铅焊点电可靠性及可靠性电测法的研究逐渐成为当前研究的热 点问题。 1 1 3 无铅焊点损伤特性测试方法 对不同服役条件下焊点的损伤进行评价与测试是无铅焊点可靠性研究的重要内 容。焊点损伤表现为萌生多种类型的内部缺陷导致焊点宏观性能的劣化，例如焊点力 学性能，电磁学性能等阱】劣化。焊点损伤特性的研究方法主要有试验法和数值模拟法。 试验法主要是测试焊点在拉伸、压缩、剪切等不同载荷下，焊料及其结构的拉伸强度、 断裂强度和抗疲劳性能等的动态变化。近年来，研究者对无铅焊点进行了大量的损伤 特性评价试验研究，例如机械冲击实验、机械振动实验、加速测试实验及强度试验等， 以及无铅焊点可靠性的环境试验研究，例如温度循环实验、热冲击试验、湿热试验及 密封试验等 3 1 - 3 8 】。各种焊点损伤特性试验的研究都需要大量的人力和物力投资。随着 计算机仿真技术的迅速发展，部分试验已可以借助于分析软件进行数值模拟，得到焊 点可靠性与损伤特性数据。并且，随着焊点尺寸与间距越来越小，难免会给可靠性试 验带来困难，因而，数值模拟法已成为研究者常采用的一种方法。它可以方便、快捷 地对焊点可靠性进行分析，成本也比较低。在数值模拟法中，利用有限元模拟分析法 对焊点进行可靠性分析一直是电子封装可靠性研究领域的常用方法。例如张桂英【9 】用 实验与有限元仿真相结合的方法对单个无铅焊点的尺寸效应进行了研究，得出焊点的 最佳厚度值为0 2 5 m m ：佟川等【3 9 j 通过有限元法得到塑封球栅阵列焊点的应力应变分 布，并对焊点寿命进行预测。 无铅焊点损伤特性测试方法主要分为两种：有损测试和无损测试。有损测试主要 包括光学检测、扫描电镜s e m 和e d x 截面研究、金相切片分析、红外热相分析、强 度( 抗拉、剪切) 、跌落实验、随机振动等可靠性检测方法。无损测试主要包括外观 检查、x 射线检测、超声波检测及电测法等检测方法【2 6 ，4 删。有损检测可以方便快捷 地观测到焊点组织结构的变化，在研究焊点失效机理和服役缺陷的根本原因时，有损 检测技术具有一定的优势，但是有损检测的设备昂贵，成本较高，不利于推广，同时 实时性也不强，无法实时地获取焊点损伤状态，并且会对焊点造成一定的损伤。无损 检测虽然对焊点产生的损伤较小，但是其在研究焊点失效机理和服役缺陷的根本原因 时具有一定的局限性l l j 。因此，在实际研究与应用中，应根据实际情况选择合理的焊 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 点可靠性与损伤检测方法。 目前，国内外对无铅焊点损伤测试的研究已广泛开展，并取得了一些研究成果。 e up o hl c n g 等【4 5 】对s n a g n i c o 与s n 3 8 a 9 0 7 c u 焊料的c 5b g a 焊点进行跌落实验， 使用s e m 和e d x 分析对其机械强度进行研究，得出i m c 层使焊点强度降低，焊点 脆性增加，且s n a g n i c o 焊料的焊点脆性比s n 3 8 a 。g o 7 c u 焊料的脆性低；b l c h e n 等【4 6 】通过s e m 、e d x 和x r d 等方法研究了铅对s n 3 5 a 9 0 7 c u 焊点金属间化合物的 影响，得出铅的加入会抑制金属间化合物的生长。罗道军等f 7 】对引脚焊点进行拉脱试 验，并采用金相切片分析对不同表面处理的引脚焊点强度进行比较研究，得出焊点强 度变化的主要原因是焊点金属间化合物的厚度偏大；武晓静【4 8 】通过对倒装芯片进行老 化和热冲击试验，采用金相切片分析方法对b g a 无铅焊点的失效原因进行了分析。 陆裕东等【4 9 】采用x - r a y 、s e m 及e d x 等测试方法确定了焊点在随机振动试验中的损 伤失效机制。c l i z z u l 和j h c o n s t a b l e 4 3 , 4 4 通过测量焊点电阻值来研究焊点的疲劳损 伤机制。 1 2 无铅焊点损伤特性电测法研究 在服役过程中，焊点内部微观组织结构的改变使得焊点电阻、电感和电容等电学 参数发生相应改变。因此，焊点电参数的改变在一定程度上反映了焊点内部微观结构 的变化行为刚。无铅焊点损伤特性电测法是指通过测量焊点直流电阻或交流阻抗来直 接反映焊点导电性能的方法。电测法可分为直流微电阻测量法和交流阻抗测量法。在 直流或者低频信号下，焊点损伤过程主要表现为微电阻的变化，可通过直流微电阻的 测量来监测焊点损伤状态。因此，通过焊点直流电阻的测量监测焊点可靠性的方法即 可称为直流微电阻法。在高频信号下，焊点损伤不仅会使电阻增大，焊点电容和电感 等电参数也会相应改变，因此，高频时焊点的损伤过程主要表现为焊点阻抗的变化， 通过焊点阻抗值的测量来监测焊点可靠性的方法就称为阻抗法。 1 2 1 无铅焊点损伤特性直流电阻法 在直流或低频信号作用下，电阻测量监测无铅焊点的可靠性的方法既方便又快 捷，不仅能够在服役期间实时反映焊点的导电性能，而且由于电阻是晶体结构对电子 波的散射引起而使其具有组织敏感性 4 2 】，因而通过焊点电阻测量也能够间接反映出焊 点组织结构的变化。因此，电阻测量法可以用来实时监测焊点的损伤状态。目前，电 阻测量法研究焊点损伤特性已被广泛应用。美国j a m e sh c o n s t a b l e 等【4 3 】直接测量焊点 电阻对焊点剪切疲劳损伤进行了研究；日本k y u s h u 大学的y o u n gb a ck i m 等跚j 通过 直接测量焊点电阻来描述振动疲劳损伤的过程；德国m s p r a u l 等【4 0 】通过对菊花链形 中南大学硕士学位论文第一章绪论 式连接的焊点电阻测量来对不同条件下无铅倒装芯片的可靠性测试与研究；j i n g - e n l u a n 和j f j m c a c r s 等 5 1 , 5 2 通过焊点电阻的测量对焊点裂纹的产生及其生长进行研 究。国内吴丰顺等【5 3 】通过四探针电阻测量法对无铅焊点电迁移进行研究；林健等【5 4 】 应用电测法研究无铅焊点的热疲劳失效；周祖锡【5 5 】对无铅焊点在湿热载荷下的电阻应 变特性进行了研究；潘毅【5 6 】利用直流微电阻测量法对无铅焊点蠕变特性进行研究，得 到焊点蠕变与电阻应变之间的关系。 电阻法研究无铅焊点损伤特性结果表明，无铅焊点的电阻应变曲线包括线性变化 域和指数变化域，线性变化区约占焊点寿命的7 0 8 0 ，指数变化区只占焊点寿命的 2 0 3 0 【5 。7 1 。因此，监测焊点电阻应变并不便于清晰观察焊点损伤变化的全过程，尤 其是焊点蠕变损伤第三阶段的变化过程。焊点的损伤失效是一个长期积累的过程。电 阻法研究无铅焊点损伤特性实验的很长一段时间里焊点的电阻值没有明显的变化，直 至焊点损伤裂纹足够大甚至临近断裂时其电阻值才变化明显，不利于观察焊点损伤状 态。因此，电阻法监测焊点损伤过程的完整性和灵敏性仍然是一个值得思考的问题， 随着电子信息产业的深入发展，急需一种更灵敏而精确的方法来监测焊点及电子产品 的可靠性。 另外，随着时钟频率和通讯频率的不断提高，电子产品趋向于高工作频率或趋于 高数据传输率，其性能和稳定性对焊点的信号完整性要求也不断提高。焊点在受损过 程中，由于高频寄生效应的影响，焊点电参数的微小变化就有可能对高速传输信号产 生巨大的影响，因而，纯粹通过焊点电阻值的变化来反映焊点的损伤情况存在一定的 缺陷和局限性，电阻测量法已不能满足焊点损伤检测技术发展的需求。对高速电子产 品及焊点可靠性的监测，直流电阻法已受到限制，也不能灵敏检测到微小裂纹对高速 电子设备焊点可靠性的影响。 1 2 2 无铅焊点损伤特性阻抗法 高频时，焊点电阻、电容和电感等电参数随损伤变化而变化。因此，在焊点受损 过程中，由于趋肤效应的影响，焊点阻抗较直流电阻对损伤裂纹的产生和扩展要更敏 感，如图1 3 所示，阻抗能更早地反映出焊点微观结构的变化和性能的蜕化。随着国 内外无铅焊接技术的不断深入，电子产品向小型化、轻型化与多功能化发展，焊点损 伤分析方法和技术也须向高空间分辨率、高频率和高灵敏度方向发展。阻抗法为高速 电子产品可靠性评价及其寿命预测提供了一个更新、更灵敏的方法，存在广阔的发展 和应用前景。 阻抗是描述所有信号完整性问题及解决方法的有效概念。损伤引起焊点各电学参 数发生改变，引起焊点阻抗发生改变，导致传输信号幅值或者相位发生改变，进而导 致高速电路系统出现异常甚至功能失效，最终导致整个电子产品的失效。阻抗测量法 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 为高速电子产品提供一种有效的焊点损伤检测和寿命预测的方法，减少了因焊点失效 带来的不必要损失，尤其是在军事应用、航空航天器件等高可靠性要求的应用场合。 电 阻 或 阻 抗 瓦 r 图1 - 3 焊点直流电阻与阻抗对损伤的敏感性 目前，国内外应用阻抗法监测无铅焊点可靠性的研究尚处于起步阶段。2 0 0 8 年， d a e i lk w o n 等对阻抗法检测无铅焊点的损伤状态进行了报道。d a c i lk w o n 等【5 8 】通过研 究焊点损伤对射频阻抗的影响，证明焊点表面微裂纹的产生即可引起焊点阻抗值的增 大，而焊点直流电阻值在焊点寿命7 0 8 0 的时间内变化缓慢，在最后2 0 3 0 的 寿命时间内变化才显著，得出射频阻抗比直流电阻的测量能更早反映出焊点的损伤蜕 化，焊点射频阻抗较直流电阻对焊点的损伤更敏感等结论。d a e i lk w o n 等的实验结果 如图1 - 4 所示。 o 曼 簌 悔 莓 呕 吲 目 a 、 圆 脚 拣 一 时间m i n 图1 - 4d a m lk w o n 等的实验结果 此前国外已有学者应用阻抗法对无铅焊点可靠性进行研究，但国内则研究较少。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 d a e i lk w o n 等 5 9 - 6 3 近年来对焊点阻抗的测量及阻抗法检测焊点可靠性相关的一系列 问题进行了研究。但d a e i lk w o n 等测量的是电路板焊点的阻抗，并未对焊点服役过 程中内部损伤的变化过程进行分析和研究，也没有对焊点各电学参数进行提取和建立 有效的受损焊点阻抗等效模型。k a u s h i kg a l a 等删对高速芯片互连点的电感进行了建 模和分析。n a g a r a jn s 等【6 5 】对互连点处的电阻和寄生电容进行了分析研究。p a o l o m a n f r e d i 等【删对电路板互连点损伤引起的阻抗不连续进行了研究。国内对阻抗法的应 用主要集中在生物，医学、食品，混泥土结构等方面，在电子封装产业中的应用较少。 刘芳林 2 4 】在对无铅焊点信号完整性研究中建立了焊点损伤裂纹长度与其电阻、电感、 电容等电参数的简单关系公式，并分析了损伤对信号传输的间接影响。中国电子产品 可靠性和环境测试研究院的姚斌等【6 m 8 】根据t d r 测试原理对焊点阻抗进行了理论推 导。然而，焊点在服役过程中的电损伤特性、焊点各电参量与损伤变量之间的关系等 还有待确立和深入研究。因此，对无铅焊点高频参数的提取及建立有效的阻抗等效模 型变得越来越重要。阻抗法研究无铅焊点损伤特性、无铅焊点阻抗测量方法的研究、 焊点损伤失效阻抗法判定标准等系列问题对无铅焊点可靠性研究与测试具有重要意 义，目前主要有以下关键问题尚待解决： 1 、无铅焊点损伤特性研究，即损伤与焊点各电学参数关系模型的建立。m i c h a e l h a z a r i a l l 等【6 9 】曾对焊点损伤所引起的传输线等效模型的变化进行分析，建立了与焊 点互连传输线的特性阻抗与焊点损伤裂纹长度的关系分析模型，但是单个焊点损伤与 其电参数及阻抗的关系尚不明确。由于焊点内部裂纹的萌生和扩展是一个复杂而缓慢 的过程，用电参数的变化难以完全加以描述。因此，优良的电磁参数提取方法、建立 精确的数学等效模型是实现阻抗法研究无铅焊点损伤特性首要解决的问题。 2 、无铅焊点电失效判据的确立问题。无铅焊点电失效准则的提出虽然已经有一 定的历史，但并未受到重视，目前还没有一个统一的电失效判定标准。而阻抗法研究 无铅焊点可靠性的提出使电失效判据更模糊了。许多文献都提到当焊点电阻或阻抗出 现1 0 或1 0 以上的波动时，测试样品被判定为失效，但这个值1 0 是基于经验的， 也未对此时焊点失效的具体参数变化进行研究，其准确性还有待考证。 3 、焊点阻抗测试技术的难点问题。焊点阻抗较小，很难精确测量，而损伤引起 的阻抗变化则更加难以观察。此外，随着各种高密度组装技术在电子封装中的广泛应 用，焊点尺寸及引线间距变得越来越小，无疑给在线监测焊点的可靠性带来了更大的 困难。而且，射频阻抗测量只能在实验室里进行，测量仪器如矢量网络分析仪等设备 昂贵，测量成本较高。因此，无铅焊点阻抗测量方法的实现尚需要解决许多技术难点。 本文主要针对第一个问题焊点损伤特性进行研究。在对焊点介观结构分析的基础 上，建立无铅焊点的物理等效模型及阻抗等效模型，分析并推导焊点电参数与损伤变 量间的关系。最后通过测试焊点损伤过程中的阻抗变化来分析其损伤特性。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 本文主要研究