焊点质量检测方法

焊点质量检测方法1.1目视检测目视检测时最常用的一种非破坏性检测方法，可用万能投影仪或10倍放大镜进行检测。检测速度和精度与检测人员能力有关，评价可按照以下基准进行：(1)湿润状态钎料完全覆盖焊盘及引线的钎焊部位，接触角最好小于20°，通常以小于30°为标准，最大不超过60°。(2)焊点外观钎料流动性好，表面完整且平滑光亮，无针孔、砂粒、裂纹、桥连和拉尖等微小缺陷。(3)钎料量钎焊引线时，钎料轮廓薄且引线轮廓明显可见。1.2电气检测电气检测是产品在加载条件下通电，以检测是否满足所要求的规范。它能有效地查出目视检测所不能发现的微小裂纹和桥连等。检测时可使用各种电气测量仪，检测导通不良及在钎焊过程中引起的元器件热损坏。前者是由微小裂纹、极细丝的锡蚀和松香粘附等引起，后者是由于过热使元器件失效或助焊剂分解气体引起元器件的腐蚀和变质等。1.3X-ray检测X-ray检测是利用X射线可穿透物质并在物质中有衰减的特性来发现缺陷，主要检测焊点内部缺陷，如BGA、CSP和FC焊点等。目前X射线设备的X光束斑一般在l-5“m范围内，不能用来检测亚微米范围内的焊点微小开裂。超声波检测超声波检测利用超声波束能透入金属材料的深处，由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检测焊点的缺陷。来自焊点表面的超声波进入金属内部，遇到缺陷及焊点底部时就会发生反射现象，将反射波束收集到荧光屏上形成脉冲波形，根据波形的特点来判断缺陷的位置、大小和性质。超声波检验具有灵敏度高、操作方便、检验速度快、成本低、对人体无害等优点，但是对缺陷进行定性和定量判定尚存在困难。扫描超声波显微镜(C-SAM)主要利用高频超声(一般为100MHz以上)在材料不连续的地方界面上反射产生的位相及振幅变化来成像，是用来检测元器件内部的分层、空洞和裂纹等一种有效方法采用微声像技术，通过超声换能器把超声脉冲发射到元件封装中，在表面和底板这一深度范围内，超声反馈回波信号以稍微不同的时间间隔到达转化器，经过处理就得到可视的内部图像，再通过选通回波信号，将成像限制在检测区域得到缺陷图。一般采用频率从100MHz到230MHz,最高可达300MHz,检测分辨率也相应提高。机械性破坏检测机械性破坏检测是将焊点进行机械性破坏，从它的强度和断裂面来检查缺陷的。常用的评价指标有拉伸强度、剥离强度和剪切强度。因为对所有的产品进行检测是不可能的，所以只能进行适量的抽检。显微组织检测显微组织检测是将焊点切片、研磨、抛光后用显微镜来观察其界面，是一种发现钎料杂质、熔蚀、组织结构、合金层及微小裂纹的有效方法。焊点裂纹一般呈中心对称分布，因而应尽量可能沿对角线方向制样。显微组织检测和机械性破坏检测一样，不可能对所有的成品进行检测，只能进行适量的抽检。光学显微镜是最常用的一种检测仪器，放大倍数一般达1000倍，可以直观的反映材料样品组织形态，但分辨率较低，约20nm。1.7其它几种检测方法染色试验荧光渗透剂检测是利用紫外线照射某些荧光物质产生荧光的特性来检测焊点表面缺陷的方法。检验时先在试件上涂上渗透性很强的荧光油液，停留5-10min,然后除净表面多余的荧光液，这样只有在缺陷里存在荧光液。接着在焊点表面撒一层氧化镁粉末，振动数下，在缺陷处的氧化镁被荧光油液渗透，并有一部分渗入缺陷内腔,然后把多余的粉末吹掉。在暗室里用紫外线照射,留在缺陷处的荧光物质就会发出照亮的荧光,显示出缺陷。磁粉检测是利用磁粉检测漏磁的方法,检测时利用一种含有细磁粉的薄膜胶片,记录钎焊焊点中的质量变化情况。使用后的几分钟内,胶片凝固并把磁粉"凝结"在一定的位置上,就可以观察被检测试件上的磁粉分布图形,确定是否有缺陷。由于大多数钎料是非磁性的,因此不常用于钎焊焊点的检验。化学分析方法可测量样品的平均成分,并能达到很高精度,但不能给出元素分布情况。染色与渗透检测技术(D&PT)是通过高渗透性高着色性染料渗透到焊点开裂区域,然后拉开焊点,观测焊点内部开裂程度和分布。试验时必须小心控制拉断器件时的外力，以保证焊点继续沿预开裂区域断开。X-ray衍射(XRD)是通过X-ray在晶体中的衍射现象来分析晶体结构、晶格参数、缺陷、不同结构相的含量及内应力的方法，它是建立在一定晶格结构模型基础上的间接方法。电子显微镜(EM)是用高能电子束做光源，用磁场作透镜制作的电子光学仪器，主要包括扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)，电子探针显微镜(EPMA)和扫描透射电子显微镜(STEM)。其中SEM用来观察样品表面形貌,TEM用来观察样品内部组织形态和结构，EPMA用来确定样品微观区域化学成分，STEM具有SEM和TEM的双层功能。此外，红外热相(IRTI)分析、激光全息照相法和实时射线照相法等也可用于焊点质量检测。表2为不同分析项目的一些主要分析方法。

*2不同分折项目对应的分析方济分析项目分析方從外观内织岸面形状撕面TMC结晶粒裂纹分析诫分鉴別壮学显赤別阿我比显述光学显农X射线透射£4丁光学显tt^SEMvTEM.研磨vFW光学S^SEM^AES.XSD.TEW光学显乍⑶詞」:訂K .研联岛队腐蚀光学显示、SE沿AfM’XKDJKM、研SKFlB/t蚀Jt学韮示、SB：MD&FTKDXMX、AES、XPS“XRFVGCMSX】汶XRIhKHi仁饱离色谱卓体色阱“皿忸乞灵光显八研陋、腐浊EDX.WDX.AES.X^.SiMS.XRI)JTHLHli体色i聲伉时轧研序唤+WDX、AES.XPS.SrMS、电离色瓠液休色Eft.GCMS.硏胖化常耦合气体分析强度测试卜丫【氐拉曬光瓠GCM5TD护体fe#.GCMS拉緘推如剥离注点屮F1冏緊值离予東装'就 AFM’就子内力显徽悽引叽扫描电徒 A^f俄瞅电『光谄分折町风；隧尿离般性x光分析 xis：x射线激励光电子F；呛电子探测微尿分折 SIMS：二次离子质1在分析怕恥波氏分敬型X线）t诰分析XRD,X射找衍射仆臥透射电筑 XKF；啖光X射线光谱分析SAT；超声波显jSfciffi FUR；傅巾叶变擁趙曲胱请井析肛尽加如T体分折 GO13：气体邑谱法质劇分析KT嵐战合型感应等厠子质碰分析皿也豊色与灌透检测2加载检测及可靠性评价产品失效主要原因包括温度、湿度、振动和灰尘等，各占比例为55%、19%、20%和6%。加载检测是每一个部件在实用条件下进行加载以检测其动作状况,方法有振动检测、冲击检测、热循环检测、加速度检测和耐压检测等，一般根据实用条件把它们组合起来进行，且要求对每一个成品进行检测。这种方法最为严格，可靠性高，只有航天产品等可靠性要求特别严格的情形下才予以采用。近年来国际上采用一种全新的焊点可靠性评估方法，即等温加速扭转循环法(MDS),通过在一定温度下周期扭转整个印刷电路板来考察焊点的可靠性。该方法在焊点内产生的应力以剪切应力为主，和温度循环相似，因而失效模式和机理极为相似，但试验周期却可从温度循环的几个月减少到几天。该方法不但可以用来快速评估焊点可靠性，同时也可以用来进行快速设计和工艺参数优化。可靠性评价分类见表3。迁移是金属材料在环境下化学反应形成的表面侵蚀现象，其生长过程分为阳极溶解、离子迁移和阴极还原，即金属电极正极溶解、移动，在负极析出导致短路。迁移的发生形态常称为Dendrite和CAF(见图1)。Dendrite指迁移使金属在PCB的绝缘部表面析出，或者是形成树枝状的氧化物;CAF指金属顺着印制板内部的玻璃纤维析出，或者使氧化物作纤维状的延伸。可II性评价分案评擁顼貝评愉内容评愉〃法裂纹厨扎光学显微镜接合部结晶結构X射线分析、打揃式匹了显微镜状东分析固溶、兀歳扩散X射銭分析、一枕离子质貞分析按合界面结构诜歌电子进谱曲折拉忡接合强度利用行业协会制疋的检测标准进厅检测挠曲筮缘性迁移晶领专业协会标准电子色普仪分折阴扱Dendiritc 阳极/\环掘树脂 璇璃纤继囲1DendnEp和CAF金属离子的指标可用标准电极电位Eo来表示，其中Sn比Pb和Cu稳定，能形成保护性高的纯态氧化膜，抑制阳极溶解。电极电位的大小不仅取决于电对的本性，还与参加电极反应的各种物质的浓度有关。对于大多数电对来说，因为H+(或OH-)直接参与了电极反应，因此电极电位还与pH值有关：pH值越高，电极电位越小。另外，助焊剂残留如果不清洗干净，一些腐蚀性、活性元素(如C1)会使电迁移更强，影响电路可靠性。所以，目前常用免清洗助焊剂严格控制其活性和组份。3热循环加速试验热循环失效是指焊点在热循环或功率循环过程中，由于芯片载体材料和基本材料存在明显的热膨胀系数(CTE)差异所导致的蠕变-疲劳失效。通常SMT中芯片载体材料为陶瓷(A12O3),CTE为6.0xl0-6/°C，基板材料为环氧树脂/玻璃纤维复合板(FR4),CTE为20.0X10-6/C,二者相差3倍以上。当环境温度发生变化或元件本身通电发热时，由于二者间CTE差异，在焊点内部就产生周期性变化的应力应变过程，从而导致焊点的失效。IPC-9701标准化了五种试验条件下的热循环试验方法，从良性的TCl参考循环条件到恶劣的TC4条件，符合合格要求的热循环数(NTC)从NTC-A变化到NTC-E(见表4)。®4热牺环试瞪亲件兀合格要求rPV-9701屮描述的试验談件陰A：Am:zyx注烽Itl0+100lOflsoTC2-25+1Q0皿37,57C3+12516342,5IC4一站+1251沁35皈IHJ-SM-785ITC5-5S+1LXJ15522.S违反IJ>C-SM-785irc-970）中描述的合格眾求待林翌求循环数说明ivn：fNTC-HNTC雀1QOT卅算界瘵TC2；叱缶TC4NTC-DJ04X)vir-K6WH)4U尊整考TU失效循环次数可用一个简单修正的Coffin-Manson数模来预测，并可以加速获得热循环测试结果。Coffin-Manson数模是关于热应力引起的低循环疲劳对微电路和半导体封装可靠性影响进行建模的有效方法，表达式为：比=认fe『9沈严x小吋叶 （1）其中：Nf为疲劳失效循环数，A为常数，8为每个循环的应变范围，f为循环频率，K为波尔兹曼常数（eV）,Tmax为最高循环温度（K）。IPC-9701使用Engelmaier-Wild焊点失效模型来评估加速因子AF（循环数）和AF（时间）。AF（循环数）与焊点的循环疲劳寿命有关，是在给定使用环境中产品寿命的试验中获得，可表示为：必佈环数）==（△陥/厶几尸用x血血严x问*-14⑷嘻爲］（2）其中：AF为加速因子，Nfield为现场循环数，Nlab为试验循环数，ffield为现场循环频率，flab为试验循环频率，ATfield为现场温度变化，ATlab为试验温度变化，Tfield-max为现场最高温度，Tlab-max为试验最高温度。AF（时间）与焊点失效的时间有关，是在给定的使用环境中产品寿命的试验中获得，可表示为：4尺时间r沖F（循坏数〉XI仇如 <3）设计试验时，在芯片和PCB内引入菊花链结构使得组装后的焊点形成网络，通过检测网络通断来判断焊点是否失效。一般需要采用高速连续方案，在纳秒级内连续高速采样，以保证及时准确探测到焊点的开裂。评价时常根据某一恒定的金属界面上电位降或电阻变化来判断焊点的质量，一般电阻增加150-225Q・ms,就可判断为电性能失效，测得的电阻值超过阀值电阻1000。，就认为是开路。出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰能”，是以众议举宠为督：愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之,则汉室之隆，可计日而待也。臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之