第四章 焊点机械可靠性设计及评价方法
可焊性、焊接能力和焊点可靠性之评估和测试
时 的 荷 重 曲线 ，然 后 根 据 该 荷 重 曲线 ，得 出对 润湿
时 间 以及 浮 力 进 行 修 正后 的 润湿 力 。 以 上两 种 方 法 为 定 量 的 方法 ，浸 锡 法 则 是 定 性 的方 法 ，是 将试 样 浸 入 熔 融 焊 料 炉 ，观 察 焊料 在镀 层 上 的 爬锡 情 况 ， 凭经 验 定 性 评 估 镀 层 对焊 料 润 湿
同 ，但 是 却 有 内 在 的 联 系 。 在 讨 论 可 焊 性 、 焊 接 能 力和 焊 点可 靠 性 之 前 ，有 必 要 首 先 简 单 的 了解一
下锡 钎焊接 的过程 。
电子装配 过程 中，使元器件 与基板 （ Ｐ 即 ＣＢ 板 ）连 接起 来 的锡 钎 焊 接 工 艺， 是 利用 熔 融 的 填充
Ｐ ｉｔｄＣｉ ｕ Ｉｆｒ ｔ ｎ印制电路信息 ２ ０ ｏ ７ ｒ ｅ ｎ ｒ ｆ ｎｏｍａｉ ｃ ｏ ０ ７Ｎ ．
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Ｓ Ｍ Ｔ… … … … － ． ：
金 属 （ 锡焊 料 ） 使 接 合处 表 面 润 湿 ，并 分 别 在 两 含 种金 属零 件之 间 形成冶 金 的键 合。表 面润湿 是锡钎 焊 接 的 基 础 。 焊 料 的 润 湿 过 程 包括 以 下 三 个 方 面 ： （ １） 首 先 是 助 焊 剂 有 效 地 破 坏 氧 化 膜 或 保 护 层 ，液 体焊料在 基底 金属 上面扩 展开 。 （ ２） 基 底 金 属 溶 解 进 入 液 体 焊 料 。
焊点的质量与可靠性
焊点的质量与可靠性1. 焊点质量的重要性焊接是一种常见的金属连接方法，它在各种工业领域都有广泛的应用。
焊点的质量直接关系到焊接件的强度、可靠性和寿命。
因此，焊点质量的高低对于产品的质量以及人身安全都具有重要的影响。
2. 影响焊点质量的因素焊点的质量受多种因素的影响，以下是几个常见的因素：2.1. 焊接材料的选择焊接材料的选择对焊点质量具有重要影响。
合适的焊接材料可以提高焊点的强度和韧性，从而提高焊接件的可靠性。
一般来说，焊接件的材料应与被焊接材料具有良好的相容性，以确保焊接的质量。
2.2. 焊接工艺参数的控制焊接工艺参数，如焊接电流、焊接时间和焊接速度等，对焊点的质量起着重要的影响。
过高或过低的焊接电流可能导致焊点的气孔和裂纹，影响焊接件的可靠性。
因此，必须严格控制焊接工艺参数，以获得高质量的焊点。
2.3. 表面处理焊接前的表面处理对焊点质量也具有重要影响。
表面的油污、氧化物以及其他污染物可能导致焊接时的缺陷或不良结构，降低焊点的质量。
因此，在焊接前必须对工件进行适当的清洗和处理，确保焊点质量可靠。
3. 焊点质量的检测方法为了保证焊点的质量和可靠性，需要对焊点进行有效的质量检测。
以下是一些常见的焊点质量检测方法：3.1. 目测检测目测检测是最简单的焊点质量检测方法之一。
通过肉眼观察焊点表面的情况，判断焊点是否存在裂纹、疏松和气孔等缺陷。
这种方法成本低廉，操作简单，但对于微小缺陷的检测效果较差。
3.2. X射线检测X射线检测是一种非破坏性的焊点检测方法。
通过照射焊点并观察照片来检测焊点内部的缺陷。
X射线检测能够发现微小的裂纹和气孔，可以较为准确地评估焊点的质量。
然而，X射线设备的成本较高，需要专业人员进行操作。
3.3. 超声波检测超声波检测是一种常用的焊点质量检测方法。
通过发送超声波脉冲并接收回波，来评估焊点内部的缺陷情况。
超声波检测可以检测到焊点的裂纹、夹渣和未熔合等缺陷，具有较高的灵敏度和准确性。
焊点可靠性研究详解
SMT焊点可靠性研究前言近几年﹐随着支配电子产品飞速发展的高新型微电子组装技术--表面组装技术(SMT)的飞速发展﹐SMT焊点可靠性问题成为普遍关注的焦点问题。
与通孔组装技术THT(Through Hole Technology)相比﹐SMT在焊点结构特征上存在着很大的差异。
THT焊点因为镀通孔内引线和导体铅焊后﹐填缝铅料为焊点提供了主要的机械强度和可靠性﹐镀通孔外缘的铅焊圆角形态不是影响焊点可靠性的主要因素﹐一般只需具有润湿良好的特征就可以被接受。
但在表面组装技术中﹐铅料的填缝尺寸相对较小﹐铅料的圆角(或称边堡)部分在焊点的电气和机械连接中起主要作用﹐焊点的可靠性与THT焊点相比要低得多﹐铅料圆角的凹凸形态将对焊点的可靠性产生重要影响。
另外﹐表面组装技术中大尺寸组件(如陶瓷芯片载体)与印制线路板的热膨胀系数相差较大﹐当温度升高时﹐这种热膨胀差必须全部由焊点来吸收。
如果温度超过铅料的使用温度范围﹐则在焊点处会产生很大的应力最终导致产品失效。
对于小尺寸组件﹐虽然因材料的CTE 失配而引起的焊点应力水平较低﹐但由于SnPb铅料在热循环条件下的粘性行为(蠕变和应力松弛)存在着蠕变损伤失效。
因此﹐焊点可靠性问题尤其是焊点的热循环失效问题是表面组装技术中丞待解决的重大课题。
80年代以来﹐随着电子产品集成水平的提高,各种形式﹑各种尺寸的电子封装器件不断推出﹐使得电子封装产品在设计﹑生产过程中,面临如何合理地选择焊盘图形﹑焊点铅料量以及如何保证焊点质量等问题。
同时﹐迅速变化的市场需求要求封装工艺的设计者们能快速对新产品的性能做出判断﹑对工艺参数的设置做出决策。
目前﹐在表面组装组件的封装和引线设计﹑焊盘图形设计﹑焊点铅料量的选择﹑焊点形态评定等方面尚未能形成合理统一的标准或规则﹐对工艺参数的选择﹑焊点性能的评价局限于通过大量的实验估测。
因此﹐迫切需要寻找一条方便有效的分析焊点可靠性的途径﹐有效地提高表面组装技术的设计﹑工艺水平。
焊点可靠性分析技术要点
焊点可靠性分析技术要点1. 可焊性的评估和测试可焊性一般指金属表面被熔融焊料润湿的能力，润湿的过程如上所述，在电子行业中，可焊性评估的目的是验证元器件引脚或焊端的可焊性是否满足规定的要求和判断存储对元器件焊接到单板上的能力是否产生了不良影响，可焊性测试主要是测试镀层可润湿能力的稳健性（robustness）。
可焊性测试通常用于判断元器件和PCB在组装前的可焊性是否满足要求。
焊料润湿性能的试验方法有很多种，包括静滴法(Sessile drop)、润湿称量法(Wetting balance也称润湿平衡法)、浸锡法等。
图1为静滴法的示意图，该法是将液体滴落在洁净光滑的试样表面上，待达到平衡稳定状态后，拍照放大，直接测出润湿角θ，并可通过θ角计算相应的液—固界面张力。
该法中接触角θ可用于表征润湿合格与否，θ≤90°，称为润湿，θ>90°，称为不润湿，θ=0°，称为完全润湿，θ=180°，为完全不润湿。
润湿称量法则是将试样浸入焊锡中，测量提升时的荷重曲线，然后根据该荷重曲线，得出对润湿时间以及浮力进行修正后的润湿力。
以上两种方法为定量的方法，浸锡法则是定性的方法，是将试样浸入熔融焊料炉，观察焊料在镀层上的爬锡情况，凭经验定性评估镀层对焊料润湿情况，从而得出可焊性结论。
这种方法具有快捷、方便和费用少等特点，但是它的重复性和再现性Gauge R&R差，两个人在不同时间进行同一测试可能会得出不同的结论。
可焊性的测试方法，代表性的标准为“IPC/EIA J-STD-003B印制板可焊性试验”和“IPC/EIA/JEDEC J-STD-002C元件引线、焊接端头、接线片及导线的可焊性测试”。
润湿称量法由于其具有良好的重复性和再现性，受到多个标准的推荐使用。
影响可焊性的因素很多，主要有：焊料的合金组成、表面镀层（或者表面处理）、温度、助焊剂和时间等。
目前用于电子装配的焊料合金，主要以锡添加其它金属组成，添加的金属类型和量的比例，对润湿性能有很大影响。
第四章_焊点疲劳失效机理可靠性评价方法-修订版
热疲劳失效的三个因素
焊点疲劳失效的三个重要因素 ① 热膨胀系数不匹配 ② 温度差 ③ 周期性工作 焊点疲劳失效过程： 温度变化导致的热应力---焊点应变（蠕变应变）---焊点金属学变化和疲
劳损伤----焊点开裂失效
焊点应力--------焊点材料特性
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2012/11/25
a) 热膨胀系数（CTE）不匹配
4.3.4 焊点的失效分析
染色试验 金相切片分析 当菊花链的电阻超过20％或者电阻超过300欧姆时，器 件失效－－－如何能够准确定位到失效焊点 －－－从哪里判断焊点疲劳失效的特征
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染色渗透试验
原理 通过将样品置于染色液中，让染 色液渗透到有裂纹或孔洞的地方。 垂直剥离已经焊上的元器件，其引 线脚与焊盘将从有裂纹或孔洞等薄 弱界面分离，元器件分离后被染红 的焊点界面将指示该处在强行剥离 前存在缺陷，即焊点不良部位被检 测到。
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常用的温度循环加速试验条件
温度范围设置 Tmax：100℃ Tmin：0℃
高低温停留时间
有铅：10min 无铅：10min～30min 温度变化速率 <20°C/min 推荐10°C/min～15°C/min
常用的温度循环加速试验条件
IPC-9701
TC1 TC2 0°C+100°C (Preferred Reference) -25°C +100°C
全局不匹配
器件和PCB不同的热膨胀系数所导致； 由不同的热膨胀系数和温度产生； 全局热不匹配的范围一般为：2-14ppm/℃ 全局热不匹配通常较大：CTE 差大和对角线距离等都较大 全局不匹配将会导致周期性的应力应变，并导致焊点疲劳失效。
焊点可靠性研究详解
SMT焊点可靠性研究前言近几年﹐随着支配电子产品飞速发展的高新型微电子组装技术--表面组装技术(SMT)的飞速发展﹐SMT焊点可靠性问题成为普遍关注的焦点问题。
与通孔组装技术THT(Through Hole Technology)相比﹐SMT在焊点结构特征上存在着很大的差异。
THT焊点因为镀通孔内引线和导体铅焊后﹐填缝铅料为焊点提供了主要的机械强度和可靠性﹐镀通孔外缘的铅焊圆角形态不是影响焊点可靠性的主要因素﹐一般只需具有润湿良好的特征就可以被接受。
但在表面组装技术中﹐铅料的填缝尺寸相对较小﹐铅料的圆角(或称边堡)部分在焊点的电气和机械连接中起主要作用﹐焊点的可靠性与THT焊点相比要低得多﹐铅料圆角的凹凸形态将对焊点的可靠性产生重要影响。
另外﹐表面组装技术中大尺寸组件(如陶瓷芯片载体)与印制线路板的热膨胀系数相差较大﹐当温度升高时﹐这种热膨胀差必须全部由焊点来吸收。
如果温度超过铅料的使用温度范围﹐则在焊点处会产生很大的应力最终导致产品失效。
对于小尺寸组件﹐虽然因材料的CTE 失配而引起的焊点应力水平较低﹐但由于SnPb铅料在热循环条件下的粘性行为(蠕变和应力松弛)存在着蠕变损伤失效。
因此﹐焊点可靠性问题尤其是焊点的热循环失效问题是表面组装技术中丞待解决的重大课题。
80年代以来﹐随着电子产品集成水平的提高,各种形式﹑各种尺寸的电子封装器件不断推出﹐使得电子封装产品在设计﹑生产过程中,面临如何合理地选择焊盘图形﹑焊点铅料量以及如何保证焊点质量等问题。
同时﹐迅速变化的市场需求要求封装工艺的设计者们能快速对新产品的性能做出判断﹑对工艺参数的设置做出决策。
目前﹐在表面组装组件的封装和引线设计﹑焊盘图形设计﹑焊点铅料量的选择﹑焊点形态评定等方面尚未能形成合理统一的标准或规则﹐对工艺参数的选择﹑焊点性能的评价局限于通过大量的实验估测。
因此﹐迫切需要寻找一条方便有效的分析焊点可靠性的途径﹐有效地提高表面组装技术的设计﹑工艺水平。
计算机系统的焊点可靠性试验
计算机系统的焊点可靠性试验简介在计算机系统的生产过程中，焊接是重要的步骤之一。
焊点的可靠性对于计算机系统的正常运行和使用寿命具有重要影响。
为了测试焊点的可靠性，采用焊点可靠性试验是一种常见的方法。
本文将介绍计算机系统的焊点可靠性试验的过程和一些常见的测试方法。
焊点可靠性试验的目的焊点可靠性试验的主要目的是评估焊点的质量和寿命。
通过对焊点进行试验，可以检测焊点的强度、稳定性和可靠性。
通过这些试验结果，可以判断焊点是否能够满足计算机系统的要求，从而采取相应的措施提高焊接质量和可靠性。
焊点可靠性试验的步骤焊点可靠性试验的步骤可以分为以下几个阶段：1. 焊接准备在进行焊点可靠性试验之前，需要对焊接过程进行准备。
这包括选择适当的焊接材料和焊接方法，准备焊接设备以及调试焊接参数。
2. 样品制备制备好焊接样品是进行焊点可靠性试验的关键步骤之一。
根据需要测试的焊接部件的类型和规格，选择合适的基材和焊料进行样品制备。
将焊接样品制备成相应的形状和尺寸，确保样品的一致性和代表性。
3. 焊接过程在焊接过程中，根据样品的要求进行焊接操作。
根据焊接方法的不同，可以采用手工焊接、自动化焊接或者半自动化焊接。
焊接过程中需要注意控制焊接温度、焊接时间和焊接速度等参数，确保焊接质量的稳定性和一致性。
4. 焊点可靠性测试焊接完成后，通过对焊点进行可靠性测试来评估焊点的质量和寿命。
常见的焊点可靠性测试方法包括静态拉力测试、冲击测试、热老化测试和震动测试等。
根据测试结果，可以评估焊点的可靠性，并鉴定焊接过程中存在的问题。
5. 结果分析和改进根据焊点可靠性试验的结果和分析，可以对焊接过程进行改进和优化。
通过调整焊接参数、改善焊接材料和改进焊接设备等方式，提高焊点的可靠性和稳定性。
常见的焊点可靠性试验方法在计算机系统的焊点可靠性试验中，常见的试验方法包括以下几种：1. 静态拉力测试静态拉力测试是一种常见的焊点强度测试方法。
通过施加拉力，测试焊点的强度和断裂负荷。
(完整word版)焊点的质量与可靠性
焊点的质量与可靠性机电工程学院微电子制造工程1000150312 黄荣雷摘要：本文介绍了Sn-Pb合金焊接点发失效的各种表现形式，探讨失效的各种原因。
在实践基础上，指出如何在工艺上进行改进已改善焊点的可靠性，提高产品的质量。
1前言电子产品的"轻、薄、短、小"化对元器件的微型化和组装密度提出了更高的要求。
在这样的要求下，如何保证焊点质量是一个重要的问题。
焊点作为焊接的直接结果，它的质量与可靠性决定了电子产品的质量。
也就是说，在生产过程中，组装的质量最终表现为焊接的质量。
目前，在电子行业中，虽然无铅焊料的研究取得很大进步，在世界范围内已开始推广应用，而且环保问题也受到人们的广泛关注，但是由于诸多的原因，采用Sn-Pb焊料合金的软钎焊技术现在仍然是电子电路的主要连接技术。
文中将就Sn-Pn焊料合金的焊点质量和可靠性问题进行较全面地介绍。
2焊点的外观评价良好的焊点应该是在设备的使用寿命周期内，其机械和电气性能都不发生失效。
其外观表现为：（1）良好的湿润；（2）适当的焊料量和焊料完全覆盖焊盘和引线的焊接部位（或焊端），元件高度适中；（3）完整而平滑光亮的表面。
原则上，这些准则适合于SMT中的一切焊接方法焊出的各类焊点。
此外焊接点的边缘应当较薄，若焊接表面足够大，焊料与焊盘表面的湿润角以300以下为好，最大不超过600。
3寿命周期内焊点的失效形式考虑到失效与时间的关系，失效形式分为三个不同的时期，如图1所示。
（1）早期失效阶段，主要是质量不好的焊点大量发生失效，也有部分焊点是由于不当的工艺操作与装卸造成的损坏。
可以通过工艺过程进行优化来减少早期失效率。
（2）稳定失效率阶段，该阶段大部分焊点的质量良好，失效的发生率（失效率）很低，且比较稳定。
（3）寿命终结阶段，失效主要由累积的破环性因素造成，包括化学的、冶金的、热-机械特性等因素，比如焊料与被焊金属之间发生金属化合反应，或热-机械应力造成焊点失效。
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焊点经过多次回流后的试验结果比较
2 不同冷却速率条件下焊点强度分析
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 不同冷却速率条件下焊点强度分析
2 不同冷却速率条件下焊点强度分析
3 不同老化时间对焊点强度的影响分析 测试方法
不同合金厚度随老化时间的关系 （150度）
7
不同合金结构随老化时间的关系 （150度）
不同失效模式随老化时间的关系 （150度）
焊点机械强度的决定因素 1）焊接材料（焊料） 2）焊接的面积 3）焊点润湿情况 4）焊点内部微观结构 5）焊点界面结构（IMC）
1 焊点微观结构对强度的影响
Ag的浓度 冷却速度 和Cu的含量
近可能不要形 成大量的 Ag3Sn合金
焊点微观结构对强度的影响
2～7％Wt 易产生金脆 对高温老化等条件敏感
镀层中Au厚度过厚导致 在焊点破裂失效
SnPb/FR1 SnBi/FR4 SAC/FR4
20
40
60
80
Push strength for different alloy/PCBs joints ranked as follows:. SnPb/FR1>SnBi/FR1>SAC/FR4
3
BGA焊球推力试验
Shear Ram
Shear Direction
Ram Height
Solder Ball Substrate
Ram Height----> 50 μm (2 mils) ≤ 25% of Ball Height
Ram Width----about the ball size
主要失效模式
焊点强度和速度之间的关系
不同推刀下焊点失效模式比较
不同速率和推刀下焊点强度比较
试验结果
焊点强度试验和分析方法－焊点拉力试验
不同引脚镀层焊点的强度比较
SnPb/FR1
SnBi/FR1
SAC/FR4
9.0% 8.0% 7.0% 6.0% 5.0% 4.0% 3.0% 2.0% 1.0% 0.0%
0
Pull Strength Comparison(1)
SnPb+FR1 SnBi+FR1 SnAgCu+FR4
4
焊点拉拔试验方法
焊点失效模式分析
焊点拉拔试验示意图
焊点拉拔试验照片
焊点拉拔试验照片
速率对焊点强度的影响
5
器件固定方式比较
焊点典型失效模式比较
BGA焊点强度试验方法汇总
相关研究： 1 多次回流对焊点强度的影响分析
断 裂 模 式 比 较
焊点经过多次回流后的试验结果比较
焊点经过多次回流后的试验结果比较(SAC405)
机械可靠性设计要点 增加焊点的强度（往往通过增加焊接面积） 减少器件和板之间的相对位移（减少振动、冲击条件下
的应力） 在振动应力强的情况下，增加支撑（胶固定） 在振动应力强的情况下，可能需要增加阻尼减震器 器件长轴和应力方向平行 优化焊接工艺，形成均匀的焊点微观结构 积累焊点强度数据，为设计提供依据
胶加固技术
BGA底部填充降低应力
焊点强度试验和分析方法
板级焊点强度试验 焊点拉力试验 焊点推力试验 三点弯曲试验 四点弯曲试验 跌落试验 振动试验
器件级焊点强度试验 BGA焊点推力/拉拖试验
焊点强度试验和分析方法－焊点推力试验
推刀速度：0.5mm～9mm/min
2
焊点推力试验样品
四种不同的电容 元件焊点强度比 较 参考JIS Z3198标 准，对片式电容 元件，以水平方 向以9mm/min速率 进行推剪力测 试，直至元器件 与焊盘脱离，记 录推剪力，在立 体显微镜下观察 并记录断裂模 式。
三点弯曲试验
三点弯曲试验－焊点电阻随变形的关系
三点弯曲试验－失效模式
8
机械振动试验
移动式设备跌落失效
（参考器件振动条件进行）
温度老化对跌落失效的影响
跌落失效模式
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感谢支持 加强合作 ! Thank you!
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第四章 焊点机械可靠性 设计及评价方法
邱宝军
020-87237921，qiubaojun@
焊点机械可靠性要求
电子组件在焊接、运输、使用等条件下，通常会由于振动、冲 击弯曲变形等，从而在焊点或者器件上产生机械应力，并最终导 致焊点或者器件失效。
焊点的机械失效模型通常用强度应力干涉模型来表示。
Au焊料对焊点性能的影响图
1
2 IMC对焊点强度影响
金属间合金层厚度（μm）
*厚度为0.5μm～1.5um时抗拉强度 最佳；
*0.5～4μm时的抗拉强度可接受；
拉伸力 （千lbl/in2）
*＜0.5μm时，由于金属间 合金层太薄，几乎没有强度；
金属间合金层厚度与抗拉强度的关系
*＞4μm时，由于金属间合金层太 厚，使连接处失去弹性，由于金属 间结合层的结构疏松、发脆，也会 使强度小。
50
100
150
Pull strength for different alloy/PCBs ranked as follows:. SnPb/FR1<SnBi/FR1<SAC/FR4
25.0% 20.0% 15.0% 10.0%
5.0% 0.0%
0 -5.0%
Push Strength Comparison(1)