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工艺可靠性试验概论

2019-06-17 15:17
可靠性杂坛
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一、工艺可靠性试验的目的

焊点在微电子封装产业中起着举足轻重的作用。积极优化焊接工艺,找出失效模式,分析失效机理,提高产品质量和可靠性水平,对电子封装产业均有重要的意义。由于现代电子产品中采用微电子学器件和功能模组越来越多,微电子器件封装中的焊点也越来越细小,而其所承载的力学、电学和热力学负荷却越来越重,对焊点的可靠性要求日益增高。例如,新型的芯片尺寸封装(CSP)、微间距的钎料球阵列封装(μBGA)、堆叠封装(POP)等技术,均要求通过焊点直接实现不同材料间的电气、热和机械等的连接。就是这大量的、细小的、不可视的焊点的焊接质量与工艺可靠性,几乎决定了整个产品系统的质量和设计的总体可靠性。而这些大量的微细焊点的焊接质量,就完全依赖于事先对其进行的工艺可靠性设计的精细度来确保。也就是说,微焊点的焊点质量就完全依赖于微焊点焊接的工艺可靠性设计才能确保。为了确保根据工艺可靠性设计所获得的指导原则而制定的可执行工艺规范的合理性和适应性,必须要对产品初始执行的组装工艺规范和工艺可靠性设计目标进行检验验证。它构成了新产品工艺中的核心内容和目标,唯有通过工艺中可靠性验证的工艺规范,才可投放批量生产线使用。显然工艺可靠性试验是有别于设计可靠性试验的。工艺可靠性试验是围绕着影响工艺可靠性的诸因素来展开的,而且绝大多数都要通过对具体的焊点的微观分析,才能获得最终的正确结果。

艺可靠性试验主要关注的是对经过组装后的PCBA上的微焊点的接合部,进行如下的必要的试验:(1)热负荷试验(温度冲击或温度循环试验)。(2)按照疲劳寿命试验条件对电子器件接合部进行机械应力测试。(3)使用模型进行寿命评估。目前比较著名的模型有:低循环疲劳的Coffin-Manson模型,一般在考虑平均温度与频率的影响时使用修正的Coffin-Manson模型,在考虑材料的温度特性及蠕变关系时采用Coffin-Manson模型。在焊点工艺可靠性测试中,应包括:●等温机械疲劳测试:根据等温机械疲劳测试结果,可以确认相同温度下不同材料的抗机械应力能力,同时还表明不同材料显示出不同的失效机理。●热疲劳测试:用于考察由于热应力所引起的循环疲劳对焊点连接可靠性的影响。●耐腐蚀测试:主要考察在环境应力条件下的耐受能力。

二、试验分类和检测技术的适用性

1、试验分类工艺可靠性试验可分为非破坏性和破坏性两类,具体应进行的试验项目如表1所示。

表1 工艺可靠性试验项目

2、检验技术的适应性检验技术在开发BGA组装工艺中,可用于不同的阶段或者是在生产过程中作为一种查证失效机理的常用方法。对于检验方法的可应用性,表2给出了一些建议。

表2 建议采用的检验方法

三、主要的试验内容和方法

1.外观检查1)目的外观检查的目的是:失效定位,模式判断。2)检查内容●润湿角;●失效部位;●批次或个别例;●焊点表面颜色;●表面洁净状况。3)检查设备外观检查时,常用的设备有金相显微镜和立体显微镜,如图1、图2所示。

图1 金相显微镜

图2 立体显微镜

2、 接合强度评价1)剪切试验(根据JIS Z 3198-7)图3所示是根据标准JIS Z 3198-7而设计的对集成部件焊接处强度进行剪切试验的说明。焊接在基板上的集成部件,被先端半径为R0.25的推具推断,从而得到最大推断力和破断时的位置(钎料部、界面、部件部)。

图3 集成器件焊接处强度试验

2)基板耐久(弯曲)试验基板的耐久试验分别根据标准:① JIS C60068-2-21 EIAJRCX-0104/101中规定:在一定的条件下,基板弯曲时,对其电气、机械性能的试验方法;② 标准EIAJ-ET7407中规定了对CSP、BGA封装状态下多次弯曲时,对其电气、机械性能影响的试验方法。图4和图5所示是引脚接合部的强度试验举例。具体确定有无破断的地方,焊接种类不同对结果有无影响,与形状是否有关等。

图4 破断位置

图5 试验装置

3)引线拉拔试验(带引线零件)(1)评价QFP/SOP。将拉引线夹具挂钩挂在QFP的一根引线上,在跟基板成45°的方向,以50mm/s速度拉引线,读取最大载荷,如图6所示。

图6 QFP/SOP引线拉拔试验

(2)评价通孔元件(插装元件)。垂直于基板方向,在不施加任何冲击的情况下,以固定速度拉引线,读取焊接部脱离时的载荷,如图7所示。

图7 通孔元件引线拉拔试验

4)BGA接合强度试验图8所示是BGA接合强度测试方法,图9所示是测试装置。测试方法有如下两种:(1)极限弯曲试验:测定弯曲的距离和破断个数;(2)多次弯曲试验:测定弯曲的次数和破断个数。

图8 BGA接合强度测试方法

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