表面貼裝焊接工藝驗(yàn)證方法研究

李旭珍，任 康，劉丙金（.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌，700；.西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安，70065）

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表面貼裝焊接工藝驗(yàn)證方法研究

李旭珍1，任 康2，劉丙金2
（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌，712100；2.西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安，710065）

摘要：針對(duì)表面貼裝焊接工藝，闡述了一種相對(duì)完善的工藝驗(yàn)證流程。包括驗(yàn)證件的選擇、外觀檢測(cè)、溫度循環(huán)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、金相分析，以及驗(yàn)證合格的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。為表面貼裝焊接工藝驗(yàn)證方法提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：表面貼裝；工藝驗(yàn)證；溫度循環(huán)

隨著電子封裝技術(shù)的發(fā)展，表面貼裝元器件種類(lèi)越來(lái)越多，器件的封裝尺寸也向兩極發(fā)展，而對(duì)于新型器件的應(yīng)用需要進(jìn)行工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，同時(shí)新的焊接工藝技術(shù)也需要有驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目的支撐。

針對(duì)表面貼焊接工藝驗(yàn)證，目前存在多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，而標(biāo)準(zhǔn)在適用性、具體內(nèi)容等方面相互之間存在差別，因此尋求一套完善的表面貼裝焊接工藝驗(yàn)證方法成為目前迫切需要解決的問(wèn)題。

1 可靠性試驗(yàn)方法介紹

工藝驗(yàn)證試驗(yàn)是可靠性試驗(yàn)中的一種，目前常用的可靠性試驗(yàn)方法包括：溫度循環(huán)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、高低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、霉菌鹽霧試驗(yàn)、電遷移試驗(yàn)等等。由于導(dǎo)致焊點(diǎn)失效的主要失效模式是溫度循環(huán)導(dǎo)致的疲勞，所以常常使用溫度循環(huán)作為加速應(yīng)力，下面將重點(diǎn)介紹溫度循試驗(yàn)方法。

2 溫度循環(huán)試驗(yàn)方法

溫度循環(huán)試驗(yàn)作為評(píng)估焊點(diǎn)可靠性的主要方法，在驗(yàn)證方案設(shè)定時(shí)需考慮驗(yàn)證樣件的數(shù)量、溫度條件的選擇、過(guò)程檢測(cè)方法、合格判據(jù)等方面。

2.1 驗(yàn)證樣件的數(shù)量。為了保證驗(yàn)證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，需考慮驗(yàn)證樣件的數(shù)量。一般來(lái)說(shuō)，每一種類(lèi)型和尺寸的元器件應(yīng)不少于3個(gè)，若需評(píng)估樣件的平均疲勞壽命，需加大驗(yàn)證樣件的數(shù)量，根據(jù)IPC-9701A的要求，樣本量需要達(dá)到33個(gè)。

2.2 溫度條件的選擇。IPC-9701A制定了詳細(xì)的測(cè)試方法來(lái)評(píng)估電子組件表面貼裝焊接連接的性能和可靠性，其溫度循環(huán)（TC）的測(cè)試條件分為T(mén)C1：0℃～+100℃（首選參考）、TC2：-25℃～+100℃、TC3：-40℃～+125℃、TC4：-55℃～+125℃、TC5：-55℃～+100℃五種，熱循環(huán)次數(shù)（NTC）要求為：200次、500次、1000次（對(duì)TC2、TC3和TC4首選）、3000次、6000次（對(duì)TC1首選）。

對(duì)于溫度循環(huán)（TC）條件及熱循環(huán)次數(shù)（NTC），由用戶根據(jù)產(chǎn)品特定的運(yùn)行環(huán)境條件確定。首選參考的測(cè)試條件應(yīng)該為：溫度循環(huán)TC1（0℃～100℃），測(cè)試時(shí)間NTC-E（6000次循環(huán)），以便測(cè)試結(jié)果能被業(yè)界接受。工藝驗(yàn)證的條件選擇和具體實(shí)施上有以下注意事項(xiàng)：

1）溫度循環(huán)試驗(yàn)的高低溫至少需要包含電子產(chǎn)品使用的工作環(huán)境溫度范圍；

2）如果僅作為新器件、新工藝準(zhǔn)入原則，在溫度循環(huán)條件上需考慮保守一些；

3）溫度變化速率選擇上盡量靠近實(shí)際工作的環(huán)境溫度變化速率，但在驗(yàn)證試驗(yàn)過(guò)程中為了提高試驗(yàn)效率，往往提高試驗(yàn)的溫度變化速率，但每分鐘不應(yīng)超過(guò)20℃，否則焊點(diǎn)的失效機(jī)理將發(fā)生改變。

2.3 過(guò)程檢測(cè)方法。在工藝驗(yàn)證試驗(yàn)過(guò)程中，建議采用菊花鏈的電氣監(jiān)測(cè)方式對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以便于了解焊點(diǎn)失效的準(zhǔn)確時(shí)間。目前常用的監(jiān)測(cè)方式有事件探測(cè)器與數(shù)據(jù)記錄器兩種。兩種監(jiān)測(cè)方式定義的失效為：

1）事件探測(cè)器定義的失效：第一次的中斷，持續(xù)最長(zhǎng)1微秒，菊花鏈阻抗值增加到1000Ω或更大，在距初始失效循環(huán)次數(shù)的10%內(nèi)通過(guò)另外9個(gè)或更多證實(shí)失效；

2）數(shù)據(jù)記錄器定義的失效：在最多5個(gè)連續(xù)檢測(cè)讀數(shù)/掃描內(nèi)最多增加20%的額定阻抗。

將阻抗變化作為失效判據(jù)在應(yīng)用上存在一些缺陷，對(duì)于微裂紋引起的阻抗變化并不明顯，因此試驗(yàn)后進(jìn)行金相切片分析是十分必要的。

2.4 合格判據(jù)。對(duì)于選定的溫度循環(huán)條件及熱循環(huán)次數(shù)下，不發(fā)生兩種監(jiān)測(cè)方式定義的失效，則判定為驗(yàn)證通過(guò)。對(duì)于NTC級(jí)循環(huán)結(jié)束后零失效狀況下結(jié)束的測(cè)試，必須進(jìn)行失效分析，以確保不遺漏由于菊花鏈設(shè)計(jì)失誤或測(cè)試硬件故障而導(dǎo)致的失效，常見(jiàn)的失效分析方法包括：光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線、掃描超聲顯微鏡（CSAM）、金相切片以及染色與滲透。

3 工藝驗(yàn)證流程

在工藝驗(yàn)證實(shí)施之前，設(shè)計(jì)完整的驗(yàn)證流程是十分重要的，根據(jù)歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)合作組織（ECSS）發(fā)布的ECSS-Q-ST-70-38C標(biāo)準(zhǔn)，推薦的表面貼裝工藝驗(yàn)證流程如圖1所示：

圖1 驗(yàn)證流程圖

需要注意的是：

1）對(duì)于溫度循環(huán)試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)，在時(shí)間順序上沒(méi)有強(qiáng)制要求；

2）試驗(yàn)過(guò)程中的加電測(cè)試是推薦而非必須的，加電測(cè)試的目的是為了更準(zhǔn)確的知道試驗(yàn)樣件具體的失效時(shí)間，以便于對(duì)樣件的實(shí)際工作壽命進(jìn)行評(píng)估；

3）溫度循環(huán)試驗(yàn)及振動(dòng)試驗(yàn)的具體條件需用戶或制造商根據(jù)產(chǎn)品的具體使用環(huán)境確定。

4 結(jié)論

隨著電子封裝技術(shù)的發(fā)展，對(duì)表面貼裝焊接工藝驗(yàn)證的要求也越來(lái)越突出。通過(guò)本研究，形成了一種相對(duì)完善的工藝驗(yàn)證流程，為表面貼裝焊接工藝驗(yàn)證方法提供了指導(dǎo)，用戶可以根據(jù)產(chǎn)品的具體特點(diǎn)選擇相應(yīng)的驗(yàn)證條件進(jìn)行實(shí)施。

參考文獻(xiàn)

［1］羅道軍主編.電子組裝工藝可靠性技術(shù)與案例研究［M］.電子工業(yè)出版社，2015年9月.

［2］IPC-9701A Performance Test Methods and Qualication Requirements for Surface Mount Solder Attachments. Developed by the SMT Attachment Reliability Test Methods Task Group（6-10d）of the Product and Reliability Committee（6-10）of IPC，2006年2月.

［3］ECSS-Q-ST-70-38C High-reliability soldering for surfacemount and mixed technology. Developed by the European Space Agency for the members of ECSS，2008 年7月.

A Process Vertification Method Research for Surface Mount Technology

Li Xuzhen1，Ren Kang2，Liu Bingjin2
（1.Yangling Vocational & Technical College，yangling，712100 2.Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute，AVIC，Xi’an，710065）

Abstract：A preferable process vertification method for surface mount technology is suggested in this paper，including the choosing of vertification test boards、surface inspection、temperature cycling test、vibration、microsection and certification standard.At the same time，this process vertification method makes reference to a basis for surface mount technology.

Keywords：surface mount technology；process vertification；temperature cycling