焊点的失效模式与分析

黄  萍

(中国工程物理研究院电子工程研究所，四川　绵阳　621900)

摘　要：焊点疲劳寿命通常是通过电子组件进行温度循环加速试验来确定。针对典型元器件进行温度循环试验，在不同的循环周期检查焊点的开裂情况，并采用金相分析观察焊点的显微组织，分析焊点在温度循环条件下的失效模式，为改进工艺参数提供依据。

关键词：疲劳寿命；温度循环试验；金相分析；失效模式

　  焊点的可靠性问题一直是表面组装技术中比较关键的问题之一。当环境温度发生变化(如环境温度的周期性起伏)或元件本身功率发热(电源的周期性通断)时，造成表面贴装元件、PCB和钎料之间的热膨胀系数失配，使得焊点的热疲劳成为电子产品的常见的失效模式之一。

焊点的失效一方面来源于生产装配中的焊接故障，如钎料桥连、虚焊、曼哈顿现象等；另一方面是在服役条件下，当环境温度变化时，由于元器件与基板材料存在的热膨胀系数差，在焊点内产生热应力，应力的周期性变化会造成焊点的疲劳损伤，同时相对于服役环境的温度，SnPb钎料的熔点较低，随着时间的延续，产生明显的粘性行为，导致焊点的蠕变损伤。在确定焊接工艺、设备的前提下，焊点可靠性问题主要是焊点在服役条件下的蠕变疲劳问题。

研究表明，焊点的失效与材料的热膨胀系数匹配情况，焊点内部钎料的显微结构、空洞及金属间化合物的生长等密切相关。

1　影响焊点可靠性的主要因素

1.1　材料热膨胀系数(CTE)的影响

一般认为，材料热膨胀系数的差异导致了软钎焊接头在温度循环时的力学应变，增大了钎料显微组织结构的局部粗化，导致在弱区和富Pb区出现裂纹的倾向增大。

1.2　焊点内部显微结构的影响

在温度循环中，一种潜在的失效机制是Pb-Sn合金沿着富Pb区和富Sn区界面断裂，尽管软钎焊互连焊点断裂经常是由于热膨胀率不匹配造成，但是PbSn合金微观组织特定的物理特征也与热循环中焊点断裂密切相关，可作为互连质量和温度循环过程中焊点可靠性指标。

1.3　空洞与空穴的影响

空洞的产生是不可避免的，空洞对焊点的影响，一种观点认为空洞处产生应力集中，还会改变应力作用方式，将使疲劳寿命大大降低。另一种观点则认为软钎焊接头中均匀分布的小空洞不仅会阻止裂纹，而且能改变裂纹的扩展途径，使裂纹从比较敏感的开裂区移开。

宏观上是空洞，微观上是空穴。一般认为空穴对裂纹的扩展起促进作用，因为它主要由钎料的蠕变引起，蠕变导致晶界滑移和晶界边缘的空穴，使之成为应力集中的地方而加速裂纹的扩展。

1.4　金属间化合物的生长及影响

在钎焊的过程中，内部金属互相混合，逐渐形成一个与钎料主体合金不同的化合物层，这层化合物的硬度和脆性较大，使应力主要集中到钎料和化合物层的界面上，并且这种化合物层的厚度随温度的升高和加热时间的增加而增大。一般认为，脆性金属间化合物的生长对抗疲劳是不利的。

2　试验方案

2.1　SMT焊盘和钎料量的设计

试验目的:钎料量是主要通过模板的厚度和开孔大小来控制的。本试验对于两类焊点，首先不改变焊盘和引线的尺寸，把钎料量划分为3种，按A、B、C依次增加，D、E、F则改变焊盘的形状和宽度。

根据钎料量来设计模板的开孔尺寸。然而，在模板印刷时，刮刀的压力及印刷的速度也会影响钎料的施放量；而且在焊接过程中，非金属部分如钎剂会发生挥发。

试验设计：采用云锡爱法生产的焊膏Sn62Pb36Ag2，计算得到焊盘与模板设计见表1、表2。

2.2　温度循环试验的设计

试验过程：按照美国军标MIL-STD-883E-1010.7.B设定温度曲线如图1所示，即温度范围为-55℃～125℃，高低温各保温10min，升降温时间均为5min，一个温度循环周期为1800s。尽管在这种规则的连续的高频变温条件下，焊点的疲劳寿命会远小于实际服役条件下的工作寿命，但仍可有效验证焊点可靠性，如采用真实条件进行温度循环试验，试验周期较长，需要很大的试验消耗。采用金相剖面观察焊点的横截面，如出现裂纹认为焊点失效，并观察焊点的失效模式。进行温度循环测试的元件，从600周期开始观察，以后800周期、1000周期、1200周期、1300周期、1400周期、1500周期、1600周期各观察一次，每次取出试样做金相剖面分析，观察裂纹的产生和扩展情况。

图1　焊点实际所经历的典型的温度

3　试验结果及理论分析

鉴于不同的结构参数(焊盘尺寸等)及钎料量(由模板厚度及开孔尺寸控制)会形成不同的焊点形态，而不同的焊点形态其温度循环疲劳寿命也不相同。本试验首先要通过观察分析找到焊点形态与结构参数及钎料量之间的关系，然后再通过温度循环试验得到焊点可靠性与结构参数及钎料量之间的关系，进而找到焊点形态与温度循环疲劳寿命之间的关系。这样就可以通过控制各参数来控制焊点质量的目的。

3.1　表面组装器件(SMD)焊点失效分析

3.1.1　形态测试结果

对于PLCC元件J形引线焊点，如图2所示，固定焊盘尺寸，随着钎料量的增加，引线根部钎料量增加较明显，钎料在引线根部一侧的爬升高度及在焊盘上的铺展面积增加，造成引线两侧焊点形态差别较大。而且由于钎料的流动性和工艺曲线等因素的影响，在钎料内部避免不了有气孔的存在。

图2　不同钎料量下PLCC元件

　　而对QFP元件L形引线焊点来讲，如图3所示，规律基本与J形引线焊点相同。虽然焊点的根部和趾部处都随钎料量增加而增加，但根部增加较为明显。

3.1.2　温度循环对钎料显微组织的影响(以PLCC元件J形引线为例)

如图4所示，从循环结束时和初始状态对比可以发现，由于温度循环和应力应变的共同作用使得焊点的显微组织发生了比较明显的粗化。

图3　不同钎料量下QFP元件

图4　初始焊点和循环后的显微组织

应注意到的一点是，如图5所示，同一焊点左右部分粗化程度也有不同。这可能是因为在凝固的过程中，钎料量较大的一侧焊点，冷却的速度较慢，形成较大的一次枝晶，故而组织较为粗大。而且经过温度循环以后靠近引线和焊盘界面局部处的晶粒普遍要比内部的组织粗大一些，这说明应力应变集中可能促进了组织的粗化。

图5　焊点根部和趾部显微组织

3.1.3　温度循环对界面的影响

当熔融的焊料与焊盘或引线相接触时，在界面会形成金属间化合物(IMC)，其厚度取决于焊料的回流温度及时间，并且在后期的保存及使用过程中也会不断生长。界面处的金属间化合物虽然是焊接良好的一个标志，但由于本身性质较脆与钎料之间微观结构的失配以及在生长过程中伴随着Kirken2dall孔洞的生成，过厚的IMC层往往会降低焊点的强度及抗低周疲劳能力。

    对于引线和钎料之间的界面，如图6所示，随着循环次数的增加，在引线和钎料的界面处聚集的富铅相的量不断地增加，在1400周期左右已经聚集成为一个比较连续的带状富铅相，经过1600周温度循环之后，连续的富铅相已经撕裂开形成较大的宏观裂纹。

图6　不同周次温度循环后引线和钎料的界面

图7　引线与钎料界面IMC层EDX分析结果

由EDX能谱分析可知钎料中的Sn与引线中的Cu发生反应主要生成的金属间化合物为Cu6Sn5如图7所示。而且从断裂方式上来看，由于金属间化合物本身具有较高的硬度和脆性，在应力作用下不能与钎料基体协调变形，造成金属间化合物和钎料的界面对应力十分敏感，使位错和空位逐渐在钎料内部聚集形成裂纹。另外，普遍认为富铅相的剪切强度较低，因此裂纹主要在靠近引线界面IMC处的富铅相一侧形成并主要沿着靠近IMC界面处的富铅相一侧扩展。

3.1.4　不同钎料量PLCC元件J形引线焊点在

1600周期温度循环后的裂纹扩展情况模板厚度为0.15mm的三种钎料量的焊点温度循环1600周后，如图8所示，主要的失效部位为焊点的根部钎料与引线的界面处。

图8　J形引线焊点1600周期失效部位

3.2　应力分析

引起一个有引线元件焊点内部的变形有多种来源。这些来源主要可分为两类，如图9所示。

图9　应变的来源

(1)钎料隔开的两种不同材料热膨胀系数不匹配带来的整体失配(如元件和PCB之间)；(2)两种相邻材料之间热膨胀系数不匹配导致的局部失配(如引线和钎料之间)。

在温度循环过程中，较快的温度转变导致焊点失效。温度循环过程造成由拉、压应力和蠕变疲劳控制的多轴应力状态。通常认为主要的应力应变来源是来自元件和PCB之间的热膨胀系数整体失配，但由于引线的柔韧性，整体失配带来的应变可以大部分被引线所吸收，所以可以认为引线和钎料以及钎料和焊盘之间的热膨胀系数局部失配带来的应力应变是造成焊点失效的一个主要来源。

4　结论

通过温度循环加速疲劳寿命试验，在不同周期对焊点外观观察、剖面分析，明确了QFP、PLCC的不同失效模式。QFP元件在规定的循环周期下，在引线尖端焊趾产生裂纹，但此时裂纹并未向主连接面上扩展，可以认为不属于失效，其寿命至少大于2000周期；PLCC焊点的失效由局部CTE失配引起，寿命最大1600周期。