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1.4 焊点的可靠性评价

1.4.1 焊点的可靠性取决于PCBA的互连结构设计

焊点本质上是一个“冶金连接”,就单个焊点而言,没有可靠性之说。只要焊点润湿良好、形态符合IPC-A-610的可接受条件,就是一个合格的焊点。焊点的可靠性只有置于互连结构(如PCBA)中讨论才有意义。

焊点的可靠性问题主要是缺陷焊点、超载断裂和疲劳断裂。

缺陷焊点:是由工艺因素导致的,通过全面、系统的工艺设计和工艺控制,往往可以得到有效管控。

超载断裂:多数发生在装焊操作、运输等环节,属于随机发生的过应力损伤问题。

疲劳断裂:是电子产品焊点失效的主要模式,它的发生源自周期性温度变化时元器件与PCB的热膨胀失配,失配程度取决于PCBA的互连结构设计。

图1-13所示为一个元器件的安装互连结构示意图。从图中可以看到,元器件的封装结构、材料、尺寸,与PCB的结构和材料共同决定了元器件与PCB的热膨胀失配程度,这些因素是由设计决定的。而制造工艺只是完成元器件与PCB的焊接,它不能决定焊点的可靠性,但是不当的工艺会产生有缺陷的焊点,成为早期失效的焊点。因此,焊点的可靠性取决于PCBA的互连结构设计,而制造只是焊点可靠性的保证。

图1-13 元器件的安装互连结构

1.4.2 焊点的可靠性工作

焊点的可靠性不同于产品的可靠性。产品的可靠性工作主要涉及可靠性建模、可靠性分配、可靠性预计、可靠性分析、可靠性设计、可靠性试验等一系列工程活动。而焊点的可靠性工作属于电子产品可靠性的最低层级,对于焊点的可靠性问题,业界已经进行了比较广泛的研究,并形成了一套行之有效的做法和设计准则,核心工作是可靠性设计与可靠性试验。对于焊点的可靠性,通常都是围绕以下基本问题开展的。

(1)识别PCBA上容易发生焊点失效的封装。可以通过如温度循环试验、检查单等方法识别。

(2)评估焊点的寿命。可以采用仿真分析或温度循环加速试验进行评估。

(3)典型的焊点失效场景研究及焊点可靠性设计准则的开发。

(4)缺陷焊点产生原因分析及有效控制方法的试验研究。

1.4.3 焊点失效原因分析流程

焊点的失效分析包括失效模式分析与失效机理/原因分析。失效模式分析比较简单,采用常规的一些分析手段,如染色、切片等,很容易判定。但是,对具体失效原因的分析,往往不是一件轻松的事情,需要耗费大量的精力梳理产品寿命周期内的每个过程信息,然后根据这些信息提出可能的失效原因并进行试验确认。这个“提出假设、试验验证”的过程并不是一蹴而就的,而是需要反复多次,直到失效现象与推测因素强相关起来。很多的分析往往不是一两天就可以完成的,之所以如此,主要是因为每次试验验证都需要很长时间(如试验样板的准备就需要1个月的时间,包括设计、制作和焊接)。此外,焊点失效原因分析仍然是一项依靠经验的工作,碰到新的失效场景就会遇到很大的困难,需要对涉及的各种可能因素的关联性进行一一确认,甚至不得不进行机理研究。总体来讲,焊点失效机理/原因分析是一项费时又费力的复杂工作。

我们举一个例子予以说明。

案例1:某单板上的BGA使用两年后失效

对失效单板进行分析,发现某BGA的AJ2、AJ3焊点虚焊。

沿图1-14所示的A、AJ两排进行切片,结果为:A排A27、A28焊点脆性断裂,其余良好;AJ排焊点中,AJ1半裂,AJ2~AJ4典型脆断,AJ5~AJ18焊点良好,AJ19~AJ28为熔断,AJ29良好。其典型裂纹形貌如图1-15所示。

图1-14 切片位置及焊点开裂位置

图1-15 焊点开裂典型裂纹形貌

从图1-15中可以看到,AJ1、AJ29两个角部焊点完好,而从超载失效角度看,若是机械应力引发的话,BGA的角部焊点应首先开裂。因此,首先应该明确的是这个BGA的失效不是机械应力引发的,中间开裂的分布情况不符合机械应力开裂的一般特点。AJ2~AJ4焊点的裂纹具有典型的应力开裂特征,裂纹从IMC层根部断开。而AJ22~AJ26焊点的裂纹具有典型的熔断特征,焊点都是从BGA侧界面IMC层与焊料界面之间熔断的。同一排失效的焊点,裂纹特征不同,说明失效机理是复杂的。类似这样的案例分析起来就非常困难,除了需要掌握焊点失效的知识,还必须对电路有一定的认识。本案例机理和原因的分析留给读者,希望通过本案例的分析,读者能够体会到焊点可靠性工作的复杂性与挑战性。 u+AYtrZr1FL7OQdWZMOr4uwM3g8GtgH2U5TcByl739gnTpsyrPAbSCc0Ae1M9ONc

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