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焊點(diǎn)的失效模式

焊點(diǎn)的可靠性實(shí)驗(yàn)工作，包括可靠性實(shí)驗(yàn)及分析，其目的一方面是評價(jià)、鑒定集成電路器件的可靠性水平，為整機(jī)可靠性設(shè)計(jì)提供參數(shù)；另一方面，就是要提高焊點(diǎn)的可靠性。這就要求對失效產(chǎn)品作必要的分析，找出失效模式，分析失效原因，其目的是為了糾正和改進(jìn)設(shè)計(jì)工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)、焊接工藝等，焊點(diǎn)失效模式對于循環(huán)壽命的預(yù)測非常重要，是建立其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。下面介紹3種失效模式。

1、焊接工藝引起的焊點(diǎn)失效

焊接工藝中的一些不利因素及隨后進(jìn)行的不適當(dāng)?shù)那逑垂に嚳赡軙䦟?dǎo)致焊點(diǎn)失效。SMT焊點(diǎn)可靠性問題主要來自于生產(chǎn)組裝過程和服役過程。在生產(chǎn)組裝過程中，由于焊前準(zhǔn)備、焊接過程及焊后檢測等設(shè)備條件的限制，以及焊接規(guī)范選擇的人為誤差，常造成焊接故障，如虛焊、焊錫短路及曼哈頓現(xiàn)象等。

另一方面，在使用過程中，由于不可避免的沖擊、振動等也會造成焊點(diǎn)的機(jī)械損傷，如波峰焊過程中快速的冷熱變化對元件造成暫時(shí)的溫度差，使元件承受熱一機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)溫差過大時(shí)，導(dǎo)致元件的陶瓷與玻璃部分產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。應(yīng)力裂紋是影響焊點(diǎn)長期可靠性的不利因素。

同時(shí)在厚、薄膜混合電路（包括片式電容）組裝過程中，常常有蝕金、蝕銀的現(xiàn)象。這是因?yàn)楹噶现械腻a與鍍金或鍍銀引腳中的金、銀形成化合物，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)的可靠性降低。過度的超聲波清洗也可能對焊點(diǎn)的可靠性有影響。

2、時(shí)效引起的失效

當(dāng)熔融的焊料與潔凈的基板相接觸時(shí)，在界面會形成金屬間化合物（intermetallicCompounds）。在時(shí)效過程中，焊點(diǎn)的微結(jié)構(gòu)會粗化，界面處的IMC亦會不斷生長。焊點(diǎn)的失效部分依賴于IMC層的生長動力學(xué)。界面處的金屬間化合物雖然是焊接良好的一個(gè)標(biāo)志，但隨著服役過程中其厚度的增加，會引起焊點(diǎn)中微裂紋萌生乃至斷裂。

當(dāng)其厚度超過某一臨界值時(shí)，金屬間化合物會表現(xiàn)出脆性，而由于組成焊點(diǎn)的多種材料間的熱膨脹失配，使焊點(diǎn)在服役過程中會經(jīng)歷周期性的應(yīng)變，形變量足夠大時(shí)會導(dǎo)致失效。研究表明Sn60／Pb40軟釬料合金中加入微量稀土元素鑭，會減少金屬化合物的厚度，進(jìn)而使焊點(diǎn)的熱疲勞壽命提高2倍，顯著改善表面組裝焊點(diǎn)的可靠性。

3、熱循環(huán)引起的失效

電子器件在服役條件下，電路的周期性通斷和環(huán)境溫度的周期性變化會使焊點(diǎn)經(jīng)受溫度循環(huán)過程。封裝材料問的熱膨脹失配，將在焊點(diǎn)中產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。如在SMT中芯片載體材料A1203陶瓷的熱膨脹系數(shù)（CTE）為6&TImes;10-6℃-1，而環(huán)氧樹脂／玻璃纖維基板的CTE則為15&TImes;10-6℃-1。溫度變化時(shí)，焊點(diǎn)將承受一定的應(yīng)力和應(yīng)變。一般焊點(diǎn)所承受應(yīng)變?yōu)?％～20％。在THT工藝中，器件的柔性引腳會吸收由于熱失配而引起的大部分應(yīng)變，焊點(diǎn)真正承受的應(yīng)變是很小的。而在SMT中，應(yīng)變基本由焊點(diǎn)來承受，從而會導(dǎo)致焊點(diǎn)中裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終失效。

由于焊點(diǎn)是因熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生熱應(yīng)力而開裂并導(dǎo)致失效，所以提高無引線元件與基板材料的熱匹配最容易成為人們首先關(guān)注的問題。目前已研究開發(fā)出42％Ni-Fe合金（CTE=5&TImes;10-6℃-1）、Cu-36％Ni-Fe合金（銦瓦合金）、Cu-Mo-Cu及石英纖維復(fù)合材料等新材料，其中Cu-銦瓦-Cu復(fù)合基板改變其中各成份比例，用此基板鉛焊的焊件經(jīng)1500次熱沖擊實(shí)驗(yàn)，無焊點(diǎn)失效。另外還開發(fā)了在印制板上復(fù)合一層彈性較大的應(yīng)力吸收層，用以吸收由于熱失配引起的應(yīng)力等方面的技術(shù)，也取得了比較好的效果。但新型基板材料的工藝復(fù)雜，價(jià)格相對昂貴，其實(shí)用性受到一定限制。

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