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电子产品基板焊点的抗开裂评价研究

来源:知实学术 分类:电子论文 发布时间:2020-06-09 浏览:

  1 引言

  当前,随着Rosh指令及其他相关环保法规的实施,焊接工艺的温度显着上升,工艺窗口急剧缩小。因此,必须进行可靠性试验暴露电子产品基板中隐藏的缺陷。其中,对基板焊点的抗开裂评价方法的研究尤其受各家电企业相关部门的瞩目。

  《核电子学与探测技术》主要刊登核仪器、核电子学、核探测器与测试技术方面的研究成果和论文。读者对象为核电子学、核探测技术方面的研究人员及大专院校师生。获奖情况:中国中文核心期刊;中国科协三等奖;中国核工业部二等奖。

  基板焊点的失效属于磨损类失效,它的失效分布规律普遍用威布尔分布来描述,在热循环试验中获得的失效数据在威布尔概率纸上处理得到累计的失效函数。用此函数就可以获得在不同应力水平下的平均寿命和其分布规律后,就可以获得加速因子。采用此传统方法需要事前累计大量的试验数据并且进行复杂的计算分析,延长了商品开发周期。同时,目前国内企业对基板焊点的观测仍停留在对焊点表面的观察,而无铅焊锡的裂纹往往是在焊盘内部,容易造成误判。本文旨在提供一种家电企业适用的高效、精确、低成本的基板焊点抗开裂评价方法。

  2 焊点互连失效的主要形式

  家电产品的元器件与电路板之间焊点的互连失效是影响家电产品可靠性的一个主要因素。

  在产品的设计和生产过程中,在元器件封装选用、PCB回路设计、焊接材料、焊接工艺管控等环节中,都需要考虑对基板焊接的可靠性的影响。而基板焊接工艺可靠性的研究,大多是针对焊点的。研究表明,在电子封装和焊接失效中,焊点通常是组装结构中最薄弱的部位,焊点的失效也成为了家电产品失效的一个主要原因。

  大多数的电子产品,互连失效的主要形式是热疲劳失效和振动引发的高周疲劳失效。而家电类基板的焊点主要研究的是热疲劳导致的失效。

  2.1 热疲劳失效

  家电产品基板的焊点最常见的破坏大多是由热循环导致的,家电产品在使用中,基板上的温度分布是不均匀的,并且随着使用进度而变化,而且元器件和PCB的热膨胀系数(CTE)不同,温度变化时,封装体各结构膨胀和收缩也不同,焊点会在应力作用下发生形变。由于形变还会产生应力集中,出现裂纹和扩展面,形成裂纹,并最终引发失效。

  2.2 振动引发的高周疲劳失效

  当电子元器件处于电机运转,运输等过程,可能会经历到严重的振动、冲击环境,元器件所承受的振动载荷会使焊点产生动态应力,还会与焊点由于热循环所产生的应力应变发生相互作用,加速焊点的失效。洗衣机等使用过程中会产生振动的家电需要考虑此失效机理。

  综上所述,焊点抗开裂评价的研究就是综合考虑温度和振动的影响。而影响家电类产品的主要因素是温度变化,本文讨论的正是基于热疲劳失效机理的焊点抗开裂的可靠性评价方法。

  3 焊点抗开裂性的试验方法和判定标准

  焊点抗开裂的试验方法被讨论的很多,但如何利用有限的资源快速地评价家电用基板焊点的文献却很少见。本文通过研究相关标准和文献,设计出一种简便、适合工程应用的评价方法,从而达到评价数以万计的基板焊点的抗开裂性能。

  3.1 目的

  焊点开裂是造成家电等电子产品事故的主要原因之一,在机器的长期使用中为了确保安全,应注意避免发生焊点开裂。本方法规定了焊点抗开裂性的试验要领和判定标准,目的就是为了加强防范焊点的开裂。

  3.2 适用范围

  家电产品印刷电路板的焊接部。

  3.3 判定标准

  将产品平均使用条件一律设想为相当于15年使用期间的热循环试验标准(-40℃/85℃、1000次循环试验)。根据焊点的重要性进行判定标准分类,见表1.

  即使是发生了全断裂状态的焊点开裂,但是由于存在着物理性、部分性接触而在确认产品动作时仍可被误判为合格,因此规定,试验后需要进行焊点断面的观测,确认焊点断面为无裂纹的安全状态。由于断面的不同,也存在着只能观测到部分开裂的情况,因此最后规定为裂纹小于全长的1/3为符合条件的状态。

  3.4 试验装置

  气槽式热循环试验装置(例如:《JIS C0025 2.3试验装置》中规定的装置),并具有能够在图1的试验条件下进行热循环试验的性能。

  3.5 试验条件

  (1)热循环试验的规格(参照图1)循环温度(焊点的温度):

  低温:-40℃,高温:85℃;

  高/低温保持时间:焊点的温度达到规定温度后10分钟以上;高温 低温变化时间:5分钟以内(试验装置槽内环境温度的变化时间)。

  (2)测试品:实际产品基板n=3,未通电状态。

  3.6 试验中的注意事项

  (1)循环试验温度不是试验装置槽内温度,而是焊点的温度。

  (2)如果试验品上有树脂涂层等附属物,影响到高/低温保持时间时,应重新确定试验条件,保证到达规定温度后,高/低温保持时间为10分钟以上。也可以将树脂涂层等附属物去除后进行试验。

  (3)元器件耐热温度不足或超过循环温度时,可将元器件的耐热温度作为循环温度的上下限。此种情况下,为了维持判定标准的载荷条件,需要使用下述加速试验方法中Coffin-Manson公式换算循环次数进行热循环试验。

  4 焊点抗开裂的加速评价方法

  Coffin-Manson方程式是有关金属低周疲劳的经验公式,即材料的低周疲劳寿命(Nf)和塑性应变范围(Δερ)之间符合如下经验关系,如公式(1)所示:

  公式(1)中:εf是疲劳韧性参数,c是疲劳韧性指数。但是经典的Coffin-Manson方程没有描述蠕变变形对材料的影响,不能处理热疲劳加载条件下的变化,同时也没有考虑到加载频率对疲劳寿命的影响。因而对Coffin-Manson方程式进行了修正,如公式(2)所示:

  式(2)中,AF是加速系数,ff是产品1天的ON-OFF次数,ft是1天的热循环试验次数,ΔTf是产品使用中焊点温度上升值,ΔTt是热循环试验温度上升值,Tmax-f是产品使用中焊点的最高温度,Tmax-t是热循环试验的最高温度,m=1/3,n=0.12eV,5K是波尔兹曼常数(8.617×10-5eV/K)。

  想缩短试验时间,可以利用Coffin-Manson公式(公式2)进行加速试验,加速评价方法试验条件要比标准的热循环试验温度-40℃/85℃更为严格,在更为严格的热循环试验条件下需采用等价热循环次数进行试验。

  实施例:

  当 家 电 产 品 基 板 的 试 验 条 件 温 度从-40℃/85℃变更为-40℃/100℃时,计算同样载荷条件的热循环试验次数。假设家电的运转条件如下:不运行时焊点的温度35℃;工作时焊点的温度87℃;1天的开关次数0.5次。将家电的运转条件、最初的热循环试验条件及波尔兹曼常数带入公式2,计算加速系数(AF0),得到AF0=1.67.同样将85℃替换为100℃,计算加速系数(AF1),得到AF1=2.47.最后按以下公式计算变更后的热循环次数。1000次循环×1.67(AF0)÷2.47(AF1)=665次循环,所得到的665次循环就是条件变为-40℃/100℃时,与标准条件1000循环等价载荷的热循环次数。

  为了评价焊点的抗开裂,需要考虑产品使用条件和热循环试验条件。经过对各类家电基板多年的抗焊点裂纹试验数据的积累,进行了焊点实际温度循环与所发生的焊点开裂实际状态的调查、比对,确认可以使用Coffin-Manson公式的推定法对焊点的抗开裂进行加速试验。焊点抗开裂的加速评价方法大大缩短了研究周期,适合企业使用。

  5 焊点断面解析方法

  使用本方法制作的焊点断面观察样品能够清楚的反应焊点内部的正确信息,甚至可以清晰的观测到焊锡与铜箔之间的合金层。此方法解决了样品制作过程中因为切割引进新的失效模式,同时也消除了因为研磨引起的裂纹堵塞造成没有裂纹的假象,使得对焊点断面的观测做到“明察秋毫”.而且根据经验,明确了容易发生焊锡裂纹的部位和焊锡裂纹长度的计算方法。

  在以下位置进行断面观测,直插式零部件:

  约在包含引脚在内的焊接角的中央部位;贴片元器件:沿着焊点中央部与元器件中央部连线的部分;多引脚焊点(连接器、变压器、IC、BGA等):零部件的两端。

  5.1 焊点断面观测样品的制作方法

  步骤1基板所需观测焊点的决定:大电流部品和表面上锡少的焊点作为观测点(样品数量=3)。

  步骤2一次切割:对需要观察的焊点及周边进行切割,要使用专门的切割工具,如慢锯、激光切割等,任何剧烈的取样方法都容易导致焊点损伤或破坏要分析的现场。切割完后要进行超声波洗净,去除边缘毛刺,避免环氧树脂固化后与样品间留有缝隙。

  步骤3一次树脂包埋:作用是防止二次切割时引入新的失效模式。

  步骤4二次切割:至少保持切割的部位与要分析的焊点有2mm的距离。3块基板,直插式元器件分别进行0°、120°、240°的方向切割,贴片元器件全部进行0°方向的切割,作用是最大程暴露焊盘的缺陷。切割完后再用超声洗净去除边缘毛刺。直插式元器件的切割方向如图2所示。

  步骤5二次树脂包埋:二次切割完后的样品再次进行树脂包埋。

  步骤6断面研磨:在距离观察点约0.5mm之前用小目砂纸(#1000)进行粗磨,之后用更大目砂纸(#2500)进行细磨,直至研磨到要观察的断面位置。整个过程要注意样品的平整,随时进行水平检查。研磨完成后的样品断面如图3所示,此时还有许多划痕。

  步骤7抛光:抛光的作用是除去精细研磨留下的砂纸划痕。使用小于0.5μm的金刚石抛光液进行抛光,直至肉眼观察到的金相结构光亮清晰且没有划痕。如图4所示。

  步骤8微腐蚀:作用是将金属间化合物和其他金相结构更清晰的展示出来,同时避免原有的缝隙被软的焊锡堵住,造成没有缝隙的假象。方法是用适当的腐蚀液搽涂金相界面。对于一般的焊盘使用的腐蚀液如下:5cc氨水+45cc蒸馏水+2滴过氧水。

  步骤9用光学显微镜等以300倍以上的倍率进行观测并记录裂纹长度。

  5.2 容易发生焊锡裂纹的部位

  容易发生焊锡裂纹的部位,也即所受热应力最集中的部位,接插件元器件容易发生焊锡裂纹的部位如图5所示。

  5.3 裂纹长度的计算方法

  “裂纹长度”,指焊点出现的开裂,空洞或浮起(剥落)的长度,在断面观测中,规定其与全长(包括裂纹长度在内的,距离焊锡两端面之间的最短距离)的长度比例进行判定。观测需要光学显微镜放大至少200倍的设置下进行。下面记述了代表性接插件元器件、贴片元器件的焊锡裂纹长度的测定实例。

  5.3.1 接插件元器件的焊锡裂纹长度测定例,如图6所示。

  裂纹长度=l1+l2,全长=L.

  5.3.2 贴片元器件的焊锡裂纹长度测定例,如图7所示。

  裂纹长度=l1+l2+l3,全长=L1+L2-V1.

  5.3.3 QFP的焊锡裂纹长度测量例,如图8所示。

  裂纹长度=l1+l2,全长=L.

  6 结语

  本文介绍了焊点互连失效的两种形式,以及根据各种标准和文献制定的适合企业实际工程应用的抗焊点裂纹的评价方法,同时,通过经典Coffin-Manson方程式推测出了加速试验的评价方法,还明确了焊点断面的解析方法。利用以上的评价和解析方法,企业相关业务人员能够在设计阶段,实施加速试验发现焊锡裂纹的不良从而加以改善,降低家电用基板的不良率,为企业的品质赢得市场口碑。

  参考文献

  [1] 张鹿皓, 谢劲松。 基于失效物理方法的焊点疲劳寿命评价流程设计[J]. 电子质量, 2014, (8):23-27.

  [2] 谢定君, 王畅, 谢劲松。 电路板焊点在工程环境条件下寿命分析[J]. 电子质量, 2013, (5):20-24.

  [3] 张亮, 薛松柏。 基于蠕变模型细间距器件焊点疲劳寿命预测[J]. 机械工程学报, 2009, 45(9):279-284.

  [4] 阮春郎。 一种焊点强度可靠性的评估方法[J]. 电子产品可靠性与环境试验, 2012, 30(5):11-16.

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文章名称:电子产品基板焊点的抗开裂评价研究

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