IPC-9701A-表面贴装锡焊件性能测试方法与鉴定要求

IPC 9701A 表面贴装锡焊件性能测试方法 与鉴定要求 1 范围 此规范建立了专用的测试方法 用于评估电子组装件表面贴装焊接件的性 能及可靠性 对应于刚性电路结构 挠性电路结构和半刚性电路结构 表面贴 装焊接件的性能和可靠性被进一步划分为不同等级 此外 还提供了一种相似 方法 可以在电子组装件的使用环境与条件下将这些性能测试结果与焊接件可 靠性关联起来 1 1 目的 本规范的目的 确保设计 制造和组装的产品满足预定的要求 允许以通用数据库和技术理论为基础进行可靠性的分析预测 提供标准化的测试方法和报告程序 1 2 性能分类 本规范指出表面贴装组装件 SMAs 的性能是随最终使用的性能要求而变 化的 IPC 6011 印制板通用性能规范中对性能等级进行了说明 这些性能分 类并不是按照要求的可靠性而特定的 在目前的情况下 可靠性要求需要通过 用户与供应商协商制定 1 3 术语解释 这里使用的所有术语的解释必须按照 IPC T 50 中规定的 否则要在第 3 部 分中进行说明 1 4 说明 在本规范中 使用 必须必须 这种动词强调形式来说明此要求为强制性规定 的 偏离 必须必须 要求的 如果可以提供足够的数据来验证的话 可以考虑使 用 说明非强制性要求时使用 应该 和 会 将 则说明用途作用 为了提醒读者 必须必须 用黑体字表示 1 5 版本修订 对 IPC 9701 做了些改变 包括附录 B 建立了无铅焊点的热循环要求准 则 附录 B 还为目前的 IPC 9701 提供了有关使用无铅锡焊工艺时的补充要求 2 适用的文件资料 下面是适用的文献标准以及这些文件的后续版本和修订部分 都属于本规 范的内容 下列文件标准分为 IPC 联合工业标准 ITRI EIA 和其他 2 1 IPC IPC T 50 电子电路互连及封装的名词术语与定义 IPC D 279 可靠的表面贴装技术印制板组装件的设计指南 IPC TM 650 试验方法手册 2 1 1 手动微切片法 2 4 1 镀层附着力 2 4 8 覆金属箔板的剥离强度 2 4 21 1 表面贴装焊接区的粘结强度 垂直拉伸方法 2 4 22 弯曲与扭转 2 4 36 金属化孔的模拟返工 2 4 41 2 热膨胀系数 应变计法 2 5 7 印制线路材料的介质耐电压 2 6 5 多层印制线路板的物理 机械 震动试验 2 6 7 2 热冲击 刚性印制板 2 6 8 镀通孔的热应力冲击 2 6 9 刚性印制电路板振动试验 IPC SM 785 表面贴装锡焊件加速可靠性试验指南 IPC S 816 SMT 工艺指南与检验单 IPC 7711 21 维修与返工指南 IPC 9252 无载印制板电气检测指南与要求 IPC 9501 电子元器件的 PWB 组装工艺模拟评估 IPC 9502 电子元器件的 PWB 组装锡焊工艺指南 IPC 9504 非集成电路元器件组装工艺模拟评估 预处理非集成电路元器件 2 2 联合工业标准 J STD 001 电气和电子组装件的焊接技术要求 J STD 002 元器件引脚 端子 焊片 接线柱及导线可焊性试验 J STD 003 印制板可焊性试验 J STD 020 塑料集成电路表面贴装器件湿度 回流灵敏度分类 2 3 国际锡研究机构 ITRI Pub 580 锡与锡合金的金相学 ITRI Pub 708 电子元器件焊点冶金学 2 4 其它出版物 2 4 1 电子工业机构 JESD22 A104 B 温度循环 2000 年 7 月 JESD22 B117 BGA 焊球剪切 2000 年 7 月 2 4 2 OEM 工作组 SJR 01 第 2 版 焊点可靠性测试标准 2001 年 2 月 3 术语 定义及概念 3 1 概述 为确保组装到电路板上的表面贴装电子元件焊点的可靠性 要求采用可靠 性 DfR 设计步骤 见 IP D 279 在某些情况下通过试验验证使产品适用于 特定产品类型和环境 元器件或组装越复杂 越需要更多的试验来验证可靠性 在使用过程中 表面贴装焊接件可能会受各种加载条件影响 可能会导致 过早失效 基本的设想就是将焊点适当地润湿 在焊料 元器件底层金属与印 制线路 电路 板 PWB PCB 之间形成良好的金属粘合 这样就确保不会由于 焊点缺陷而造成早期失效 下列加载情况可能是单独 连续或同时存在 加起来足以引起 SMT 焊点失 效 a 热膨胀差 b 振动 运输中 c 在从焊接操作或从恶劣的使用环境中冷却过程中的热冲击 快速的温度 变化引起瞬时翘曲差 d 恶劣使用条件或意外误操作造成的机械震动 大加速度 安装在电路板上的表面贴装器件的可靠性是焊点完整性与器件 印制板互连 的函数 通过焊接互连由 PWB 施加给封装的热机械加载可能会导致封装其它 部位失效 在插座上进行的元件级测试不能代表 表明 板上零件加载情况 对于大批 CSP 结构和高引脚点 BGA 封装 大量使用非丝焊芯片模互连会增加 在板级测试中 未预料的 内部元器件失效的可能性 为了确保表面贴装电路组装件的焊点在指定使用环境下满足可靠性预期值 通常需要确定某些特定应用的可靠性 即使已经采取了适当的可靠性设计 DfR 方法 因为焊点的蠕变和应力松弛特性是随时间而变化的 加速试验 中的疲劳损伤和疲劳寿命通常与操作使用中的不同 但利用加速试验结果 通 过使用正确的加速因子可以得到产品可靠性估算值 3 2 可靠性概念 通过本规范 要掌握可靠性定义 失效机理以及统计的失效分布 3 2 1 可靠性定义 一个产品 表面贴装焊接件 在给定条件下并在规定的时间内完成规定功 能而不超出容许失效等级的能力 3 3 失效机理 3 3 1 蠕变 根据时间变化的粘塑性变形是施加的应力与温度的函数 3 3 2 应力松弛 根据时间变化的粘塑性变形通过将弹性应变转换成塑性应变来减小应力 3 3 3 焊点的蠕变 疲劳模型 通过基于实验数据的分析模型估算出受周期性蠕变 疲劳影响的焊点的使 用寿命 可以通过 Engelmaier Wild 模型 见 IPC D 279 附录 A 3 1 或其它适 合的被验证过的模型来确定可靠性试验结果估算值 产品可靠性和加速因子 在 Engelmaier Wild 焊点疲劳模型中 变量疲劳延性指数用于说明疲劳寿命 与周期粘塑性应变能关联曲线的特征斜率 该指数通过实验得到 是时间和温 度的函数 不同于用于 Coffin Manson 等式 适用于非蠕变金属 中的常量指 数 3 3 4 热膨胀差 在操作使用或可靠性试验中的温度变化会导致材料间的热膨胀和收缩差 热膨胀或收缩是通过材料的热膨胀系数 CTE 确定的 热膨胀差分为下列两 种 1 整体的 热膨胀不匹配 元器件与基板之间的热膨胀不匹配 2 局部的 热膨胀不匹配 焊料本身以及与它连接的材料之间的热膨胀 不匹配 3 4 试验参数 注 所有标有 的定义说明都是摘自 JESD22 A104 B 3 4 1 工作区 在恒温箱内 在规定条件下进行加载温度控制的区域 3 4 2 温度循环范围 振幅 在操作使用或温度循环试验期间的最高温度与最低温度差 见图 3 1 表 3 1 和表 4 1 图 3 1 热循环试验条件的温度曲线 图 3 1 基于 JESD22 A104 B 附录 A 中的图 1 温度曲线 时间 温度 最高温度 驻留时间 最低温度 驻留时间 循环时间 循环范围 额定最小 Ts 容许极限 额定最大 Ts 容许极限 表 3 1 表面贴装电子元器件的产品分类以及最恶劣使用环境 仅供参考 温度 最恶劣使用环境 产品类型 常用分类 存储操作运行 Tmin Tmax T TD hrs循环周期 年标准使用年限 合格的失效危险 约 消费装置 40 850 550 3260 14035 63123651 31 计算机及辅助设备 40 850 550 3260 14020 362146050 1 电信 40 85 40 85 40 4085 18535 63123657 200 01 商用飞机 40 85 40 85 55 6795 20320 3612365200 001 工业与汽车 乘员舱 55 150 40 85 55 6795 203 20 36 40 72 60 108 80 144 12 12 12 12 185 100 60 20 10 150 1 军用 地面与船用 40 85 40 85 55 6795 203 40 72 60 108 12 12 100 265 10 200 1 太空 leo geo 40 85 40 85 55 6795 203 3 5 4 100 1801 12 8760 365 5 300 001 55 125 40 85 55 67125 25740 72 60 108 80 144 2 2 2 100 100 65 10 200 01 军用飞机 a b c 维修 20 361120 汽车 发动机罩下 55 150 40 125 55 67125 257 60 108 100 180 140 252 1 1 2 1000 300 40 10 150 1 另外的条件 1 所有类型的产品可能都会在 18 260 64 4 500 温度范围下进行操作 2 Tmin 和 Tmax 分别为操作运行 试验 最低和最高温度 不限定 T 的最大值 3 T 表示最大温度范围 但不包括功率损耗的影响 功率损耗要计算 T 功率损耗可能会使温度循环加速试验相当不准确 必 须注意温度范围 T 不是 Tmin 和 Tmax 之差 T 非常小 4 驻留时间 TD为每半个温度循环周期内焊点蠕变时间 8 3 4 3 样品温度 Ts 在温度循环期间 通过附着在或嵌入在样品上的热电偶或其它温度测量仪 器测量的样品温度 这种固定热电偶或其它温度测量仪器的方法确保样品总质 量达到温度极限和驻留 保温时间的要求 3 4 4 最高样品温度 Ts max 样品的最高测量温度 3 4 5 最高额定温度 T max 特定试验条件下的最高额定温度就是允许的样品最高温度 Ts max 见表 4 1 3 4 6 最低样品温度 Ts min 样品的最低测量温度 3 4 7 最低额定温度 T min 特定试验条件下的最低额定温度就是允许的样品最低温度 Ts min 见表 4 1 3 4 8 平均循环温度 Tsj 最高额定温度与最低额定温度的平均值 见附录 A 的公式 4 3 4 9 额定 T 给定试验条件下的最高额定温度 T max 与最低额定温度 T min 之差 见表 3 1 3 4 10 驻留 保温时间 TD 样品温度总时间在每个额定最高温度 T max 和最低温度 T min 规定范围内 见表 4 1 驻留时间对于加速试验来说特别重要 因为在加速试验过程中 蠕变过程实际上不完整 驻留便于将不完整的蠕变过程对产品使用温度循环产 生的影响进行校正 产品使用温度循环时间足够长 可以使蠕变过程在每个循 环驻留时间内趋于完整 3 4 11 驻留 保温温度 高于 T max 循环上限 低于 T min 循环下限 的温度 见表 4 1 3 4 12 循环时间 完成一个完整的温度循环周期所用的时间 见图 3 1 9 3 4 13 温度缓变率 样品在每个时间单位内温度增加或降低的速率 温度缓变率应该在温度曲 线的直线部分测量 通常是在给定试验条件温度的 10 90 的范围内 注 缓变率可能会受载荷的影响 应该通过验证 3 4 14 最大循环应变 变形 范围 在周期性热或机械损伤过程中形成的总应变 变形 范围 3 4 15 最大循环应力范围 在周期性热或机械变形过程中产生的总应力范围 焊点在发生蠕变的温度 范围内 应力和应变范围是彼此独立的 与非蠕变型金属相反 它的应力 应 变曲线说明了应力与应变的唯一对应关系 因为每一个温度和应变率都有不同 的应力 应变曲线 模量和产出量是受温度和应变率影响的 连接件结构的复 杂性 例如易弯曲的引脚 对焊点的最大应力产生的影响很大 3 4 16 滞后回线 滞后回线可以用图表示出载荷循环过程中焊接件的应力 应变特性 滞后 回线区域说明了每个循环周期的粘塑性应变能 也是衡量每个循环周期疲劳损 伤的一个计量单位 滞后回线大小要根据应变范围 应力范围 循环驻留时间 而定 平均循环温度对其影响很小 3 4 17 设计使用寿命 一台设备在规定环境下 完好地完成所有功能所需的操作使用寿命 3 4 18 预计的使用寿命 通过加速试验结果产生的模型 将疲劳循环数与给定容许的累计失效概率 建立关联 预测出的使用寿命 3 4 19 早期失效 在环境应力筛选 ESS 试验 老化试验 初始功能试验或在初期使用过程 中 主要由于不充分的性能或生产工艺而导致的失效 3 4 20 随机稳定状态失效 是一段有效的操作使用寿命周期 表面上失效随机发生或以低速率发生 与产品复杂性无太大关系 对于焊接件来说 此过程不可测量 因为可能不存 在或失效率很低 10 3 4 21 损耗失效 损耗就是损伤累积超时过程 在此过程中 由于疲劳或其它损耗机理导致 产品消耗恶化而引起失效发生稳定上升 这是由于焊接件的蠕变疲劳引起的损 耗失效 为本规范的论述主题 3 5 统计失效分布的概念 3 5 1 统计失效分布 失效 特别是由于损耗引起的失效 不是突然同时发生 但是超时分布 威伯尔统计分布是最适合用于损耗失效的分布 但有时还可以使用 Log Normal 分布 对于威伯尔分布 需要 2 个定义参数 1 威伯尔斜率 分布范围的一 个计量单位 2 某些截止值 通常 N 63 2 威伯尔分布的特征寿 命 但有时为 N 50 平均失效寿命 在威伯尔分布坐标图上 利用这 两个定义参数将测量数据绘制成直线 可以简化数据分析 3 5 2 平均失效寿命 N 50 一半的样品失效所用的时间 3 5 3 无失效寿命 N0 首次失效发生前的时间 或循环数 此参数用在 3 参数 3 P 威伯尔统 计分布中 3 5 4 累积失效百分比 在试验过程中 样品 i 的累积失效百分比通过等式 F i i n 1 计算 其中 i 为样品序号 3 5 5 累积失效概率 为了设计需要 规定的可靠性通常是指不超出规定设计寿命的 累积失效 概率 3 5 6 容许的累积失效概率 在使用寿命结束时 允许的最大缺陷 失效百分比 3 6 可靠性试验 3 6 1 加速可靠性试验 在比使用寿命短的时间内 加速影响操作使用的损伤机理 从而引起失效 的一种试验 虽然加速试验结果来自较短的循环周期或更恶劣的加载条件 但 11 必须避免使用外来的损伤机理 可以通过适当的加速因子来估算使用寿命 3 6 2 热循环 要将组装件进行周期性的温度变化试验 温度变化率要足够慢以避免热冲 击 通常小于或等于 20 36 分钟 热循环的最高温度应该为低于印制电路板材料的玻璃软化温度 Tg 温度的 25 45 必须注意如果循环温度低于 20 4 或高于 110 230 或两种情况都 存在 接近共晶 易熔的 锡铅焊料 可能会使焊接件遭受不只一种的损伤机 理 这些机理彼此互相加速促进 从而导致早期失效 此外 由于多种损伤机 理的混杂 所以在此环境下推断试验结果前必须对各种损伤机理有所了解 3 6 3 热冲击 当组装件遭受温度快速变化 在零件 组装件内引起瞬时温度梯度 翘曲以 及应力 时会发生热冲击 热冲击的温度变化率通常大于 20 36 分钟 3 6 4 电源循环 对于经常被接通 断开电源的电子器件来说 电源循环试验可能比温度循环 试验更能准确地模拟现场使用条件 3 7 其它试验 3 7 1 老化试验 对成品进行老化试验 定期的在正常的 有可能是恶劣的但还是仿真的操 作环境下进行 不属于加速可靠性试验 3 7 2 环境应力筛选 ESS 筛选过程利用由环境产生的应力 使组装件中 薄弱的 元器件的应力超 限达到失效点 防止这些潜在缺陷在现场使用中出现 引起现场失效 产生这 些应力的环境可能或不可能与产品使用环境条件有关 一旦出现失效 元器件 就会被检测出来并被维修 替换 报废 或为未来产品重新设计 ESS 必须在 不损坏 正常的 元器件的情况下进行 ESS 不是加速可靠性试验 3 7 3 高速应力试验 HAST 这种试验是在温度与湿度结合的加速应力中电偏压情况下模拟与失效机理 有关的侵蚀 HASL 可以用于元器件和组装件 但对于焊接件来说不属于加速 12 可靠性试验 3 7 4 机械震动 机械震动就是对系统产生快速的机械能量转换 在系统内部使应力 速度 加速度或位移发生显著变化 3 7 5 振动 交替地与平衡位置相反的方向周期性或随机地运动 应用载荷通常低于材 料的屈服点 弹性 3 7 6 工艺鉴定 用来验证制造产品的工艺是否满足性能规范的一种特殊试验或一组试验 3 7 7 工艺检验 对工艺进行定期的评估 确保工艺优化或消除工艺偏离 3 8 评估与应用事项 表 3 1 列出了 9 种最常见的产品类型的常用存储和操作环境以及最恶劣的 使用环境条件 此表格仅供参考 3 9 焊接件工艺说明 焊料根据特定的使用条件随温度 时间和应力而变化的特性使其在工艺金 属中具有独特性 例如 共晶 易熔的 铅锡焊料在高于 20 68 温度时具 有稳定的蠕变和应力松弛 而在低于 20 4 温度时具有与其它金属相似的 长时间承载能力 高于 20 68 时 温度越高并 或压力等级越高 焊料的蠕 变和压力松弛越快 设计并确保产品可靠性的第一步就是要对给定的表面贴装焊接技术的可靠 性和失效机理有所了解 为此 需要有通用数据库 虽然可能会发生基于单超 限应力的失效机理 但最常见的可靠性威胁是来自于由疲劳损伤引起的应力松 弛 理想的疲劳失效数据库是根据低加速和高加速的结合试验得到的 对于接 近共晶 易熔的 铅锡焊料来说存在这样的数据库 但对于其它合金 目前不 存在这种数据库 特别是对于无铅焊料 由于这个原因 试验器件在低加速试验中产生的平均失效次数大约比现场 使用的实际寿命短 10 20 次 高加速试验大约短 100 500 次 试验加速度越 大 试验结果反映出的现场条件性能越少 13 因此 低加速试验应该更能最大程度地模拟预期的现场条件 但通常由于 低加速试验所要求的时间和资源问题 使高加速试验成为必要试验 4 性能测试方法 规范化的加速可靠性测试方法为首选方法 因为其试验数据可以用于形成 可靠性基础标准 IPC SM 785 为加速可靠性测试方法的设计与实行提供技术基 础 特别推荐将本标准与 IPC SM 785 一起使用 因为本标准介绍了 SMT 焊点失 效物理机制 也就是导致焊点疲劳的各种机理 除了用公式说明失效的机理外 本标准还提供了基于实证研究的技术资料 从中可以获得加速测试程序 IPC SM 785 给出了适当的警告与免责条款 由于 SMT 焊点的疲劳寿命远远超出了电子组件设计与研制通常所需的时间 因此加速试验就成为鉴定产品使用寿命的一个必要条件 IPC 9701 为加速寿命 试验的设计提供指导方法 虽然加速寿命试验通常要在用户与供应商之间达成 一致 但本标准的使用 按照需要稍作改动 将会使寿命试验规范化 本标准中 的测试方法和要求可能在技术上没做严格要求 但继续使用与数据积累将会形 成可靠的数据基础 4 1 总要求 表 4 1 列出了规定的和推荐参考的试验参数 规定的参数应该严格遵守 不能有任何偏差 遵照所有规定的条件可以确保试验和结果通过工业验收 偏 离某一特定的规定参数可能会被个别用户接受但最终影响供应商的试验结果通 过工业验收 对于多种参数 建议使用推荐参考的以适应更广泛的工业兼容性 和验收 应该遵守推荐参考的参数 除非供应商可以验证他们建议的偏差可以 提高特定封装的板级可靠性 4 2 试验器件 试验器件的正确设计与组装是确保获得正确有效数据的关键 4 2 1 元器件说明 表面贴装元器件就是使用传统的回流技术用焊料合金将元器件焊接到一块 电路板上 球栅阵列 BGA 小尺寸封装 SOP 和芯片级封装 CSP 都是 一些典型的元器件类型 14 表 4 1 温度循环要求 规定条件下的规定的与推荐参考的试验参数 试验条件规定条件 温度循环 TC 条件 TC1 TC2 TC3 TC4 TC5 0 100 推荐参考 25 100 40 125 55 125 55 100 测试时间 热循环次数 NTC 要求 NTC A NTC B NTC C NTC D NTC E 无论哪种条件 首先 50 最好为 63 2 累积失效 推荐参考测试时间 或 200 次循环 500 次循环 1000 次循环 推荐 TC2 TC3 和 TC4 3000 次循环 6000 次循环 推荐 TC1 低温驻留时间 温度极限 推荐 10 分钟 0 10 C 0 5 C 0 18 F 0 9 F 高温驻留时间 温度极限 推荐 10 分钟 10 0 C 5 0 C 18 0 F 9 0 F 温度缓变率 20 C 36 F 分钟 所有产品样品的尺寸 个元器件样品 个试验样品 个样品做横切测量 另外 个样品进行再加工 印制线路 电路 板 PWB PCB 厚 度 2 35 mm 0 093 in 封装 芯片模条件菊花链结构的芯片模 封装 见表 4 2 试验检测 连续检测 见表4 4 推荐使用事件 检测器 本鉴定要求标准将论述焊点的可靠性以及在其他板级热循环干扰下元器件 印制板之间相互的热机械影响 例如分层 过孔断裂 电介质断裂等等 本标准规定的默认条件是使用菊花链结构的芯片模以确保在板级温度循环 期间焊球可靠性 封装材料以及芯片模级间的互连全部特性化 表 4 2 列出了 15 免除菊花链结构芯片模要求的类型 表 4 3 列出了免除类的特定参数要求 机 械芯片模 如果允许 应该按照尺寸和芯片模间的互连制造一个实际芯片模但 要求包括菊花链线对或活性硅电路 表 4 2 菊花链要求 免除类型规定条件 全部产品特性化 默认 菊花链结构的芯片模 免除类型 A 见表 4 3 菊花链结构的封装基片与机械芯片模 推 荐菊花链结构的芯片模 陶瓷封装 基板厚 1 mm 0 040 in 平均模数240 270 Gpa 菊花链结构的封装基片 推荐菊花链结构 4 2 1 1 菊花链结构芯片模 封装 试验器件的元器件封装与芯片模应该能代表产品元器件的特性 1 规定试验器件的元器件布局 结构和材料必须能代表典型的产品元器件 包 括芯片模连接粘合与工艺 填充与工艺 丝焊 倒装芯片等等 2 试验器件的元器件的芯片模是菊花链结构 如果适合条件 见表 4 2 试验器件必须使用能代表产品元器件特性的封装材料和尺寸 并且使用与产品 元器件相同的芯片模互连 印制线结构 过孔结构以及层数等与外部引脚 焊球 焊盘连接 为了减少试验费用 菊花链结构的芯片模应该与产品元器件的最大 尺寸芯片模相符 对于塑料 BGA CSP 的元器件 在板级温度循环时 芯片模下方的焊球经常 最先失效 因此 菊花链必须覆盖此区域 即使这些焊球只在接地 电源位置 对于陶瓷材料的元器件 角球最早失效 应该为关键区域 分布在 BGA CSP 焊 球矩阵四周的电源 接地焊球不要求菊花链覆盖 但菊花链点式结构必须为所有 器件排列 重要区域提供覆盖等级 这种被单点连续检测的菊花链结构设计是可以的 但最好的是在每个器件 上可以通过多网络进行独立检测 这些网络可以提供最先失效区域的其它信息 16 例如一个 BGA CSP 每个封装有 4 5 个网络 可以包含失效隔离 如下 a 封装角上的焊接件 b 外边上的焊接件 c 芯片模边缘底部或接近底部的焊接件 d 封装中央的焊接件 如果有 对于菊花链网络结构 高失效危险区域应该有独立的菊花链网络 表 4 3 免除试验的要求 A 使用机械芯片模而不是 PQ9701 菊花链结构 先前通过 IP9701 验证 如果 新 器件不满足下表免除类型 A 的要求 则适用于默认的全部产品特性化类型 内容说明免除类免除类型 A 封装体尺寸 新 110 PQ 9701 新 120 PQ 9701 芯片模 尺寸 新 110 PQ 9701 新 120 PQ 9701 焊球直径 如果适用 新 90 PQ 9701 新 80 PQ 9701 被润湿的焊盘直径 如果适用 新 90 PQ 9701 新 80 PQ 9701 焊球间距或引脚间距 新 90 PQ 9701 新 80 PQ 9701 焊球基准距或引脚基准距 新 90 PQ 9701 新 80 PQ 9701 基片厚度 新 PQ 9701 20 新 PQ 9701 40 增强片 散热片尺寸 如果适用 新 PQ 9701 20 新 PQ 9701 40 环氧尸密封剂尺寸 新 PQ 9701 20 新 PQ 9701 40 粘晶尺寸 如果适用 新 PQ 9701 20 新 PQ 9701 40 填充 材料尺寸 如果适用 新 PQ 9701 20 新 PQ 9701 40 有机材料重要特性 模数 热膨 胀系数 强度极限等 新 PQ 9701 20 新 PQ 9701 20 有机材料供应商 基片 粘晶 环氧树脂模具 密封剂 填充材 料等 新 PQ 9701 新 PQ 9701 铅材料组成成分和铅基金属化 新 PQ 9701 新 PQ 9701 增强片 散热片材料 如果适用 新 PQ 9701 新 PQ 9701 焊球焊盘类型 SMD NSMD 等 如 果适用 新 PQ 9701 新 PQ 9701 球栅布局 全矩阵与减少粒子数 如果适用 新 PQ 9701 新 PQ 9701 用于 新 器件完整的数字 分析 模型 规定的推荐的 不适用于陶瓷基片 厚度大于等于 1mm 平均模数为 240 270GPa 无凸缘 分析方法必须通过验证 将预测值与 PQ9701 器件经试验得到的焊点可靠 17 性数据相比较 有机材料的重要特性数据 模数 热膨胀系数 强度极限等 必须通过试验获得 New 新器件 PQ9701 试验数据符合 IPC 9701 全部产品特性化要求的器件 4 2 1 2 焊球剪切试验 如果符合条件 进行焊球剪切试验 最小的剪切力平均为 3 最少 3 个 封装 每个封装 10 个焊球 沿着 BGA CSP 边缘平行于基片平面进行剪切 剪 切工具的高度应该距芯片表面最小 50 m 0 002 in 剪切试验的额定速度最好为 500 m 秒 0 020in 秒 剪切后的焊球失效模式应该是大量焊料失效或铜箔园 配剥离 金属间失效为不合格 推荐以更高的速度进行剪切试验 以便确定剪 切速度对剪切强度与失效机理产生的影响 参见 JESD22 B117 BGA 焊球剪切 试验 4 2 1 3 元器件的文件编制要求 元器件文件编制的所有要求 1 封装外形图或参考 JEDEC 外形图 2 芯片模内部尺寸 长 X 宽 X 高 与方位 如果芯片模不是方形的 3 菊花链连接图 连线网表 最好为电子文档 4 测量的焊球 引脚共面性 底座面方法或最佳安装位置 5 与被测器件同批产的零部件的焊球剪切或引脚拉伸测试值 如果适用 以及 失效模式 拉伸试验为可选试验 6 通过微云纹干涉测量法数据测量与被测器件同批产的零件的 X Y 的热膨胀系 数 推荐面阵列封装 其它技术例如 TMA 也可适用 用于确定有效的热膨胀系 数 7 焊料润湿焊盘尺寸 如果适用 8 焊球焊盘类型 如果适用 阻焊层限定 SMD 阻焊层在焊盘上的覆盖率 非阻焊层限定 NSMD 阻焊层与焊盘间的开孔或在焊盘上的过孔 9 铅精加工 焊盘金属化合物结构 所有层面的厚度和焊料组成成分 如果适用 10 菊花链互联线路图 从芯片模到引脚 如果适用 18 11 芯片模 引脚连线表 最好是电子文档 4 2 2 印制线路 电路 板 PWB PCB 布线 厚度和焊盘设计影响焊接件的完整性 规定的 PWB 厚度 的标准参考值应该是 2 35mm 0 093 in 见表 4 1 推荐使用 2 个 PWB 厚度 用于封装系列的首次鉴定 有助于推断实验结果的解析外推法的应用 其它 PWB 的厚度可以根据用户的使用要求而改变 可厚可薄 除了下面推荐的 PWB 试验板层结构外 将 PWB 的层数设计成偶数也很重 要 这样可以形成对称的横截面和对称的信号层 因为铜和环氧玻璃的热膨胀 系数不同 如果不对称的话 在工艺加工时 PWB 会翘曲 建议使用标准的 PWB 设计方法设计菊花链结构的试验板 在元器件库中 确定封装以及连接端子 如果使用 将所有封装使用菊花链连接起来并为试验 板设计实际的原理图 这样 使用生产 PWB 的标准设计流程就可以设计出试 验板 这种设计流程通常包括交互工具和设计检验 确保所有网络连通 按照上 述流程操作大大增加了 PWB 试验板初次完美设计的几率 相反 假设有一个 在 CAD 系统上设计的 简单的 试验板 如果对所有零部件的电气连接不进 行检测 那么失效几率将大大增加 4 2 2 1 试验板的设计要求 下面是试验板的设计要求 1 PWB 最好为 2 35mm 0 093 in 厚 最少六层铜板 PWB 增厚或变薄 则层 数相应成比例地增加或减少 2 如果封装体尺寸大于 40mm 1 57 in PWB 最好 3 15mm 0 125 in 厚 八层 铜板 3 PWB 的试验板最好与 PWB 产品用相同的材料和布线 但在所有情况下 规 定必须测量玻璃软化温度 Tg 和 x y 上的 CTE 4 在内层中偶数层上的电源层 接地层 PWB 总层数为偶数 必须有 70 的铜 覆盖率 5 在内层中奇数层上的信号 PWB 总层数为偶数 层必须有 40 的铜覆盖率 19 6 最好只在外层使用菊花链网 7 印制线最好被隔离以便可以在不损坏板上其它部件的情况下拆除任一部件 其它的参考迹线 只在通过自动目视系统 例如 3D 激光 测量焊膏高度时使 用 应该设计在靠近焊盘的位置 这些迹线是必需的 因为目视系统需要在被 焊膏覆盖的焊盘表面有一个参考 8 虽然菊花链网络通常不要求 PWB 试验板有过孔 但规定 PWB 试验板在焊 盘最少 50 的位置上包含有过孔 产生与 PWB 产品过孔相似的机械效能 9 建议进行 OSP 有机焊膜 表面涂层 可选用 HASL 热风焊料平整 工艺 10 如果适用 规定使用 NSMD 非阻焊层限定 11 与焊球焊接的 PWB 的焊盘直径最好是元器件被焊料润湿的焊盘直径的 80 100 12 每个菊花链网络需要多探针式焊盘便于进行失效分析 13 标准外层铜箔厚度最好为 35 m 137 8 in 14 外层印制线最小宽度最好为 150 m 590 6 in 15 如果可以 封装体与相邻封装之间 接线端子或板边缘需要最小 5mm 0 2 in 间隙 还要有拆除失效封装所需的空间 16 对于阻焊剂对准 表面贴装焊盘上不允许有重叠现象 NSMD 焊盘上不允 许有阻焊剂 17 对于 PWB 板翘曲 要求在工业标准 IPC 2221 IPC 6012 和 IPC A 600 规定的范围值内 这些标准参见 PWB 翘曲 弯曲与扭转 18 用在镜面 双面 板上的元器件必须在镜面结构板上进行测试 19 规定要有丝印或铜蚀刻 包括但不限制 的图解说明 清楚地标明试验板 上的所有元器件 所有测试点以及用于正确封装的插头 1 的位置 这样便于进 行组装 ATC 和失效分析 4 2 2 2 试验板的菊花链设计 组装后元器件上与 PWB 试验板上的菊花链连接成一个完整的菊花链网 建 议将菊花链迹线链设计在 PWB 的顶层 这样可以避免错误判断 过孔失效而误 认为菊花链失效 强烈建议在装配前对裸 PWB 进行加速试验以确保质量并减小 20 在板级测试时过孔失效的可能性 规定必须对元器件 PWB 菊花链进行连续检测 但建议在每个菊花链网内设 计人工多探针式焊盘以便于失效隔离 在每个菊花链网内使用多跳线定位能够 对其它的失效位置进行连续检测 4 2 2 3 试验板的文件编制要求 下面是试验板所需的文件说明 1 PWB 布局 2 电介质材料 3 最好提供内部印制线 板面和过孔几何尺寸 4 外部几何尺寸 5 镀层抛光 6 x y 上的 CTE 热膨胀系数 测量值 推荐用 TMA 或云纹干涉法 7 测量的玻璃软化温度 Tg 8 试验板在恒温箱中的安放位置 4 2 3 印制板 试验板 组装 大多数情况是利用大型回流输送带式焊炉和热风再加工工作台将 SMT 器件 组装到电路板上 因此 最好使用这两种回流方法将菊花链结构的元器件组装 到试验板上 再加工是利用再加工设备进行回流操作而不是将元器件重新使用 再加工的元器件应该是原始未加工的 与大型回流组装器件相同 在进行大型回流或再加工操作前对菊花链结构的元器件进行吸湿可能会导 致各种封装接口处的分层 多种研究还表明印制板组装参数的复杂性不但会影 响产出率还会影响焊接件的可靠性 因此 附有焊接件可靠性试验结果的文件 资料非常重要 包括下面列出的试验板组装的文件资料 粘附着或机械连接的散热片会影响焊接件的可靠性 需要在专用的测试中 进行评估 不在本标准中说明 4 2 3 1 印制板 试验板 组装要求 必须在组装前对印制板 试验板 组装定位工艺参数进行优化 优化的工 艺参数包括焊料量 焊膏对准 印刷速度 刮刀压力 漏板离网和热温度曲线 等等 21 如果可以 应该按照 印制板组装生产前的元器件烘烤 的存储 烘烤步骤 如果没有确定元器件抗潮级别或烘烤规格 则默认需要在 125 257 下烘烤 24 小时 如果可以 应该按照 再加工处理生产前的印制板烘烤 的存储 烘烤步骤 如果没有确定 PWB 抗潮级别或烘烤规格 则默认需要在 105 221 下 烘烤 24 小时 必须在组装后对所有焊接件进行 X 射线检测 确定焊接件的缺陷 焊点缺 陷包括 桥接 开路 焊点丢失 大片空洞 焊球对位不良以及缺少角焊缝 有总缺陷的器件不应该包括在可靠性评估中 如果检测出多种总缺陷 建议重 复进行制造过程优化 必须对所有组装件进行电气连通性检测 菊花链结构的起始电阻发生开路 短路或任何异常都是不合格的 不应该在 ATC 中检测起始电阻发生开路 短路 异常的样品 4 2 3 2 试验板组装的文件编制 下面列出了试验板组装所需的资料 1 回流温度特性说明 包括预热温度 缓变率 临界峰值温度 焊料 封装表 面以及印制板等 在高于焊料液化温度时的持续时间以及冷却速率 包括回流 气压 热电偶位置以及连接结构 形式 2 焊料组成成分以及焊膏金属比例 粒筛尺寸和助焊剂类型 3 标定的焊膏量 4 标定的焊接件基准距 5 标定的焊球尺寸或角焊缝形状 最好使用对角横截 X 射线分层法 6 在每个试验板再加工现场完成的再加工次数 默认值 1 4 3 加温测试方法 4 3 1 通过等温老化进行预处理 最好选择非商业用户 组装后的试验器件在大气中进行加温老化 例如在 100 212 下 24 小时 0 5 0 9 来模拟分析适合的使用 22 周期并加速焊料晶粒生长 金属间化合物生长及氧化等可能出现的过程 在进 行疲劳测试前 将经过模拟老化后的试验器件在室温下再储存一段时间 这样 可以使焊接结构更加加固 4 3 2 温度循环 注 标有 的段落是从 JESD22 A104 B 摘抄的 4 3 2 1 恒温箱 在加载最大载荷时 所使用的恒温箱必须能够提供并控制规定的温度并在 工作区循环记录时间 对样品的直接导热应该最小 必须通过下列一种或两种 方法对达到试样温度要求的每个恒温箱进行性能验证 a 使用测量仪器和最大加载进行定期校准 并对固定的测温工具热电偶进行 的每一次温度测量 确保运行的可重复性 进行连续监测 b 将测量器件放置在最恶劣温度位置 可能是载荷的四角和中间位置 对 每一次的测试进行连续监测 4 3 2 2 测试步骤 样品必须放置在大致没有阻碍空气流通的地方 如果需要特殊安装 必须 有特定说明 然后必须对试样进行规定循环次数下规定的温度循环测试 在完 成试验规定的全部循环次数时 可能会由于试验箱装载或器件卸载 人工检验 中断以及电源或设备故障等原因而引起试验中断 但必须将中断次数减到最少 如果要将热电偶粘在样品上 那么必须尽量少的使用粘胶剂或胶带 以确保正 确的温度测量 在连接热电偶或其它温度测量仪器时 使用的方法应该确保样 品总质量达到温度极限以及驻留 保温时间的要求 在进行焊点疲劳测试时 注意避免试验样品的瞬时温度坡度 热质量大且 传热效率低的试样需要足够低的缓变率来弥补热质量 在温度缓变过程中 试 样温度与恒温箱周围温度差应该在几度范围内 对于热质量大的试样 可能需 要使用单区恒温箱来达到规定的缓变率 下面是规定的或推荐的条件 a 最好使用有空气的单区恒温箱 垂直放置印制板 试验板 最好与气流平 行 b 建议对恒温箱内不同位置的六块板进行温度测量 2 块在恒温箱的中间区域 23 4 块在四周 c 表 4 1 列出了每个温度极限点的驻留时间 加热和冷却速率 缓变率 印 制板 试验板 上热电偶的平均数用于计算缓变率 应该在低温保留的最大极 限与高温保温的最小极限之间测量缓变率 4 3 3 试验检测 4 3 3 1 温度检测 表 4 4 列出了温度检测要求 4 3 3 2 菊花链的电气检测 表 4 4 列出了对菊花链进行电气检测的要求 必须通过事件检测器 数据 记录器进行连续的电气检测 事件检测器为首选参考检测方法 人工读点不适 用于连续检测 焊点断裂几乎都与电气有关 瞬时开路或高电阻连接 事件检测器的主 要优点就是可以捕获这些间歇的高电阻情况 通常在增加一个可测电阻前 焊点完全断裂刚发生后出现 事件检测器最严重的缺点就是由于测试仪器 电 缆或接线端子微小的电气噪声造成的错误的故障指示 数据记录器探测并记录 电阻变化 规定使用数据记录器进行扫描 间隔时间不到 1 分钟 除了使用连 续检测的方法外 还需要人工检验以便减少故障误判 由于连接电缆 接线端 子 PWB 试验板或测试仪器故障引起 在热循环间隔进行人工检测对连续检测来说不是一个可选的方法 因为不 但人工检测忽略高 低温时的初始失效 而且失效持续时间的准确度也取决于人 工取样频率 此外 这种方法还扰乱试验的进行 当失效发生时不能确切地找 到 非常浪费时间 4 3 3 3 失效定义 事件检测器定义的失效 第一次的中断 持续最长 1 微秒 菊花链电阻值 增加到 100 或更大 在距初始失效 10 的循环时间内通过另外 9 个或更多事 件证实失效 为了确定失效是由于互联造成的就需要检测大量的中断 对于非 互联性失效造成的中断 例如测试仪器 软件故障 必须进行说明 数据记录器定义的失效 在最多 5 个连续检测读数 扫描内最多 20 的额 定电阻值增加 24 表 4 4 给出了失效定义 表 4 4 试验检测要求 试验参数规定条件 温度 恒温箱特性 恒温箱初次启动时 对恒温箱内每块板上的元器 件的温度进行监测并记录 利用试样负载 试验 板结构和固定仪器进行特性验证 温度 恒温箱测试过程中 连续监测至少 2 块试验板 恒温箱中间和四周 上的 2 个元器件的温度以及恒温箱的环境温度 电气 高温和低温 连续瞬时事件监测 推荐参考 或 连续的电阻监测 扫描所有菊花链的最长间隔时 间 1 分钟 不允许人工检测 失效定义 事件检测器 1000 10 个事件 最多 1 微 秒持续时间 最长 报告首次被验证为失效的 时间 和 或 数据记录器 电压表 20 额定电阻值增加 最 多 5 个读数 扫描值 最多 5 鉴定要求 5 1 热循环范围 表 4 1 给出了热循环要求 任何产品的热循环要求应该通过用户根据产品 特定的运行环境确定 推荐参考 热循环条件 TC1 0 32 100 212 测试时间 NTC E 6000 次循环 以便使试验结果被更广泛的工业部门接受 表 4 1 给出了热循环要求 表 4 1 中给出了 4 个测试条件的温度循环范围及其允许的温度极限 除了 温度极限外 测试条件 TC1 TC3 和 TC4 分别与 JEDEC22 104A A 中的测试条 件 J G 和 B 相同 注意 选择测试条件时应注意 1 给定测试条件下的 Tmax 可能超出 PWB 的玻璃软化温度范围 Tg 25 45 会使 PWB 物理特性发生显著变化并导致在加载条件下的非线性变化 2 给定测试条件下的 Tmax 可能超出某些元器件材料的玻璃软化温度 可 能会导致失效机理在设计应用条件下不能被正常发现 3 热膨胀系数差超出测试条件温度范围会导致试验板上过孔的过早失效 25 从而限制了被检测器件的电子读数性能 测试条件 TC3 与 TC4 的其它缺点 1 与试验板上高纵横比的过孔的兼容性降低 2 在更大温度范围内 试样材料与测量材料特性的相关性降低 3 在给定的大多数电子应用相对良性的实际使用的温度范围内推断使用寿 命的精确度降低 5 2 热循环测试时间 任何产品的热循环测试时间要求应该由用户确定 以便满足产品的特定运 行环境要求 表 4 1 给出了热循环测试时间要求 推荐 温度循环条件 TC1 0 100 32 212 测试时间 NTC E 6000 次循环 通常检测 出 63 的失效来确定失效分布 注意 在推断产品使用环境中循环寿命的加速测试结果时必须注意 在温 度极限点驻留 保温时间短会导致不完整的蠕变过程 因此 即使提供给加速试 验的张力和应力范围可能比给运行使用中提供的大 但加速试验的循环滞后回 线可能会小 试验加速度主要是较短的平均失效时间之一 不一定是较少疲劳 循环周期之一 如果在确定 NTC 等级前 试样发生 50 最好是 63 2 的累计失效 那 么测试时间由到最后失效样品的失效循环次数决定 5 3 试样数量 规定 33 个元器件进行默认的产品特性化试验 见表 4 1 其中 32 个被测 试 1 个在组装后做横切面 另外 10 个 最少 原始未加工的样品进行再加工 装配 强烈建议将它们对可靠性的影响列为全部默认特性 免除类型 A 见表 4 3 不需要另外的试样进行再加工测试 5 4 免除试验的要求 必须满足表 4 3 免除栏内的条件才能免除试验 当 新 器件满足 IPC 9701 全部默认保护特性 此栏中规定的免除要求时不需要测试 6 失效分析 失效分析的主要目的是确定电气故障的位置 模式以及机理 在大多数情 况下 故障是否发生在测试电缆 接线端子 试验板 焊接件或封装内部连接不 26 是非常明显 试验板 菊花链结构芯片模以及整个连接电路图的周密设计可以 减少失效隔离的设计 6 1 失效分析方法 常见的失效分析方法有扫描电子显微镜 SEM X 射线 扫描超声波显微 镜 CSAM 横切面 横向平行 以及染色与渗透 组装件加压染色曝光 然后 拆除机械封装 建议在失效非破坏性鉴定后 进行横切和染色与渗透评估 在测试 NTC 级循环结束后零失效 结束后 供应商必须进行失效分析 每个试验板类型最少随机选择 3 个器件 以确保不遗漏由于菊花链设计失误 或检测硬件故障而未被检测出的失效 6 2 数据与失效分析的文件编制要求 下面规定了文件编制的要求 1 所有实验装置 包括恒温箱和数据采集系统 的详细说明 2 印制板 试验板 与恒温箱的温度与时距曲线图 恒温箱启动特征数据 3 数据记录器样品的电阻值与时距曲线图 4 所有失效的疲劳循环周期的表列数据 最好为电子文档 5 所有失效的 2 参数