（材料加工工程专业论文）无铅电子组装qfp引线焊点拉脱试验研究.pdf

摘要 在无铅化电子组装的进程中焊点强度问题逐渐引起研究人员的关注。国 际上和发达国家的研究机构已经开始关注和制定相关标准，我国也开始着手 进行s m t 焊点强度标准的制定工作。本文基于微电子组装中q p f 翼型引线 的焊点强度进行了4 5 度角拉脱试验研究与分析。 以方形扁平封装0 f p 元器件为例，采用s n 3 5 a g 、s n - 3 0 a g 一0 5 c u 无 铅钎料再流焊形成q f p 焊点，并以s n 3 7 p b 钎料作对比。拉脱试验结果表 明，无铅焊点的拉脱载荷值稍高于s n 3 7 p b 焊点载荷值，而s n 3 o a g - o 5 c u o f p 焊点载荷值高于s n 3 5 a g q f p 焊点载荷值。 考察不同再流焊保温时间、不同老化时间、不同氮气纯度、不同冷却方 式等试验条件下形成的s n 一3 0 a g 0 5 c u q f p 焊点的拉脱载荷值情况，并对 各种条件下的焊点载荷值进行了对比分析。上述试验均表明，焊点的拉脱载 荷值具有一定的分散性，但多数载荷值分布在一定的载荷区间内。 试验中接头断裂主要有焊点处断裂和焊盘剥离两种方式；焊点处断裂是 主要的破坏形式，而焊盘剥离是老化后焊点的主要破坏形式。 焊点内圆角形态与载荷值之间的关系表明。内圆角形态饱满，焊点的拉 脱载荷值相对较高；内圆角成型不良或无内圆角则载荷值较低。 考察了焊点处断裂的断裂模式和断口特征。结果表明，断裂起始于焊点 内圆角，大多数断口都呈现塑性断裂特征( 呈韧窝状) ，在起裂位置有少数出 现脆性断裂倾向。拉脱时在钎缝处断裂的模式主要有三种：( a ) 钎缝内部断 裂；( b ) 沿靠近钎缝引线处的界面化合物层断裂；( c ) 兼有钎缝内断裂和界面 化合物层断裂的混合断裂。其中( c ) 类型的断裂模式较多。 基于上述试验，并在借鉴和分析日本j i sz3 1 9 8 ：6 标准中q f p 引线焊 点的4 5 度角拉脱试验方法基础上，完成了无铅钎料一q f p 引线焊点的4 5 度角拉脱试验方法国家标准的起草工作。 关键词拉脱试验：q f p 焊点：焊点强度；断裂模式 2 玺鎏_ 三兰_ 大兰三：2 ：兰竺鲨= j ：； a b s t r a c t s o l d e rj o i n t s t r e n g t h w a ss t u d i e di nt h e p r o c e s s o fl e a d f r e ee l e c t r o n i c a s s e m b l y n o w s o m er e s e a r c hi n s t i t u t e so fi n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o n s a n d d e v e l o p e dc o u n t r i e sf o c u so n t h ee s t a b l i s h m e n to f c o r r e s p o n d i n gs t a n d a r d so nt h e s o l d e rj o i n tq u a l i t y c h i n ai sa l s og o i n gw i t ht h es t a n d a r do fs m ts o l d e rj o i n t s t r e n g t h a f t e rt h e4 5 0p u l lt e s to fs o l d e rj o i n t so nq u a df l a tp a c k a g i n g ( q f p ) l e a d ，at y p i c a lg u l lw i n g j o i n ti ne l e c t r o n i ca s s e m b l yw a s s t u d i e d t h eq u a df l a t p a c k a g i n g ( q f p ) c o m p o n e n ti s s e l e c t e da st h e t y p i c a l e x a m p l eo fg u l l - w i n gl e a d t h es e l e c t e dl e a d f r e es o l d e r sa r es n 一3 5 a ga n ds n 一 3 0 a g 一0 5 c uf o rt h ej o i n i n go fq f pc o m p o n e n t s a n dp c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) ， r e s p e c t i v e l y a l s o ，t h et r a d i t i o n a ls n 3 7 p bs o l d e r i ss e l e c t e da st h er e f e r e n c e t h e p u l lt e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ep u l l s t r e n g t ho fl e a d f r e e s o l d e rj o i n t si sal i t t l e h i g h e rt h a nt h a to fs n - 3 7 p bs o l d e rj o i n t s ，a n dt h ep u l ls t r e n g t ho fs n - 3 0 a g 一 0 5 c us o l d e r j o i n ti sh i g h e rt h a nt h a to f s n 一3 5 a gs o l d e r j o i n t t h ei n f l u e n c eo fh o l d i n gt i m ea th i g ht e m p e r a t u r e ，t h ec o n t e n to f n i t r o g e n p r o t e c t i o na n dc o o l i n gc o n d i t i o nd u r i n gr e f l o wo nt h e4 5 o p u l l i n g t e s ts t r e n g t ho f s n 一3 0 a g - 0 5 c u q f pw a ss t u d i e d a l s o ，s o m eq f p s o l d e rj o i n t sa g e da t15 0 。c f o rd i f f e r e n td a y sf o re v a l u a t i n gt h ee f f e c to f a g i n gc o n d i t i o no n t h ep u l ls t r e n g t h o fs o l d e rj o i n t s m o s to ft h ep u l l s t r e n g t hv a l u e so fs o l d e rj o i n t sa r ew i t h i na i n t e r v a l ，a l t h o u g ht h ep u l ls t r e n g t hv a l u e sa r ed i s p e r s i b l e t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h e r ea r et w ok i n d so f t y p i c a lf a i l u r em o d e s ：o n e i st h ef a i l u r ei ns o l d e rj o i n ti nt h ec a s eo fa s r e f l o w e dc o n d i t i o n s ，w h i c hi st h e m a i n l yf a i l u r e ；a n da n o t h e ri st h ef a i l u r eb yt h es e p a r a t i o nb e t w e e nc up a da n d t h es u b s t r a t e ，i nt h ec a s eo f a s a g e ds o l d e rj o i n t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb a c kf i l l e t s h a p e o fs o l d e r j o i n t a n dt h e m e a s u r e d j o i n ts t r e n g t hw a ss t u d i e d i ti n d i c a t e st h eh i g h e rj o i n ts t r e n g t hf o rt h e i d e a lf i l l e ts h a p ea n dt h el o w e rv a l u ef o rt h en o n - f i l l e ts h a p e t h ef r a c t u r es u r f a c eo ft h es o l d e rj o i n ta f t e rp u l l i n gt e s tw a ss t u d i e d t h e a n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h ef r a c t u r eo r i g i n sf r o mt h eb a c kf i l l e to fs o l d e rj o i n t ，a n d b e l o n g st om o s t l yp l a s t i cf e a t u r e ( d i m p l e - l i k es t r u c t u r e ) al i t t l e b r i t t l ef r a c t u r e f e a t u r ei sf o u n da tt h ei n i t i a t i o no ff r a c t u r e t h ef a i l u r em o d e so fi o i n tf r a c t u r e n 竺尘鎏三些查兰王耋堡圭兰竺兰兰 a f t e rp u l l i n gt e s ta r ec l a s s i f i e da s ：( a ) f r a c t u r e di nt h es o l d e r ；( b ) f r a c t u r e da tt h e s o l d e r i n t e r f a c el a y e rn e a rt h el e a d ；( c ) m i x e df r a c t u r eo f ( a ) a n d ( b ) a n d ( c ) m o d ei st h em o s tc o m m o nm o d e b a s e do nt h er e s u l t s ，a n da c c o r d i n gt ot h es t a n d a r do fj a p a n e s ej i sz319 8 ：6 ( m e t h o d sf o r4 5 0p u l lt e s to fs o l d e rj o i n t so nq f pl e a d ) ，t h ed r a f to f t h em e t h o d f o r4 5 0p u l lt e s to fs o l d e rj o i n t so nq f pl e a di nt h el e a d f r e es t a n d a r dw a s f i n i s h e d k e y w o r d sp u l l i n gt e s t ；q f p j o i n t ；j o i n ts t r e n g t h ；f r a c t u r em o d e i j l 1 1 谍题背景 第1 章绪论 1 1 。1 巍镪促电子缀装的发震舞应用 传统s n p b 钎料( 特别是s n 3 7 p b ) 由于具有适当的熔点，良好的流动 性、导电性，低廉的成本，尤其怒对铜等多种母材金属具有良好的润湿、铺展 及填缝性能，表面张力小等诸多优点而被广泛应用于电子皱联、微电子元器件 羹装嚣淡嚣缝装豹镑绎工艺中”】。键s n - p b 移瓣在生产及镶溪过程孛会绘丽境 和人类的健康带来不w 忽视的危险【2 3 】。 锚污染问题同教受到人们的熬视，在电子行业，日本、荧国和欧盟都已制 定了秃镪化具体时间表，全世界电予工业中全蕊禁止使用含铅钎料已是大势所 趋。努方覆毫子封装与缍装援拳懿逮速发溅，滓焘越来越零，霹靠瞧蘩求帮 越来越高，传统的s n p b 钎料程常温下就能发生蠕变变形p j ，已不能满怒越来 越高的可靠性要求。 从2 0 世纪9 0 零代起无铅他魄子组装就成为世界盼关注热点。2 0 0 2 年l 嚣，美窝霉家翻造秘学磋究中。妇n e m i ( n a t i o n a le l e c t r o n i cm a n u f a c t u r i n g i n i t i a t i v e ) 、欧洲软钎焊技术组织s o l d e r t e c 、日本电予信息技术产嫩协会 j e i t a ( j a p a n e l e c t r o n i c sa n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 三 方代表凝集| 三| 本东京，共同签署了世赛无铅软镑焊发展筑划的框架协议。2 0 0 3 年2 弼，欧浏谈会和欧鼗委爱会正式抵壤w e e e ( w a s t eh e c t r i c a l a n d e l e c t r o n i ce q u i p m e n t ) 和r o h s ( r e s t r i c t i o no fh a z a r d o u sm a t e r i a l s ) 的肖方指 令生效，要求各成员圆必须在2 0 0 4 年8 月1 3r 之前完成相应的立法工作。这 一指令弱生效在毽爨蘧圈内弓l 起广泛反嗡，雀蠢场竞争豹獯力下，全球鞠步实 现无锚电子组装已经是不可逆转豹发展趋势。美国弱国家毒造科学磷究中心 n c m s ( n a t i o n a lc e n t e rf o rm a n u f a c t u r i n gs c i e n c e s ) 计划p 一1 、欧洲由m a r c o n i m a t e r i a l st e c h n o l o g y 主持的i d e a l ( i m p r o v e dd e s i g nl i f ea n de n v i r o n m e n t a l l y a w a r em a n u f a c t u r i n go f e l e c t r o n i c sa s s e m b l i e sb yl e a d f r e es o l d e r i n g ) 骨划”、 英国的国际锡业研必学会i t r i ( i n t e r n a t i o n a l 髓nr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 计划、闩本 的新能源丌发组织n e d o t 8 】( n e we n e r g yd e v e l o p m e n to r g a n i z a t i o n ) 计划都针 譬尘鎏三些奎兰王主罂土耋竺鎏兰 对无铅化问题作了大量的工作。 无铅钎料的相关研究已经引起世界各国的关注。研究工作主要包括合金的 成分设计与热力学计算、合金的成分与组织控制、合金的力学性能、合金的工 艺性能，以及扩展到与之相对应的元器件镀层无铅化的相关领域9 1 。 对于无铅化电子组装的要求，经研究认为新型的无铅钎料应满足以下要求 1 0 - 1 3 】： ( 1 ) 合金熔点温度近似于s n 3 7 p b 的共晶温度( 1 8 3 ) ，大致温度范围在 1 8 0 2 2 0 之间； ( 2 ) 无毒或毒性很小； ( 3 ) 润湿性能和机械性能良好； ( 4 ) 容易制成膏状； ( 5 ) 尽可能与目前所用钎剂相容； ( 6 ) 导热性和电导率与s n 3 7 p b f l 近； 目前，对无铅钎料的研究大多数集中在熔点与s n p b 共晶钎料熔点相近温 度区间( 1 6 0 2 3 0 ) 的含锡二元、三元以至多元合金上，开发的钎料多数是 以含锡二元共晶为基础，添加适量的a g 、z n 、c u 、b i 、s b 、i n 等金属元素， 以达到细化焊点组织、调节钎料熔化温度区间，改善可焊性，提高焊点性能的 目的m 1 6 1 。 1 1 2 电子组装无铅化后的工艺特点 无铅化电子组装给传统组装工艺带来了很多问题和挑战。目前广泛应用的 几种无铅钎料熔点比传统s n p b 钎料熔点高出3 0 4 0 。c 左右，为保证钎料熔化 后良好的润湿性，般要求钎焊峰值温度高出钎料熔点2 0 4 0 。c ，因而导致钎 焊峰值温度达到2 5 0 c 左右1 17 - 1 8 】，见表1 - 1 ；并且再流焊工艺温度曲线随之发 生变化，预热温度和再流峰值温度相应升高1 9 1 。 表1 1s n p b 钎料与无铅钎料熔点及再流焊峰值温度比较1 7 - 1 8 焊膏熔点钎焊峰值温度范围 s n 3 7 p b1 8 3 2 0 8 2 3 5 s n 3 5 a g 2 2 1 2 4 2 2 6 2 s n 一3 0 a g - 0 5 c u 2 1 7 2 1 9 2 4 2 2 6 2 譬尘鎏王些銮耋王兰竺：兰2 鲨兰 魏潮i - i ，无锚纤辩静润瀑瞧弱予传统的s n - p b 共晶钎糕，两置较高静钎 焊温度对焊盘和高含锡量钎料的氧化作用，也密易导致焊点润湿不良，产生许 多焊后缺陷，影响焊点质量和可嚣性。 圈1 1s n p b 钎料与无铅钎料润湿角比较【2 0 1 嚣锈锤睾喜爱震豹裹湛霹逶遘掇毒液漳浮戴褥滚浮爱鍪瓣翱熬瀣度可壤褥到 解决。但是高温带来的润湿性羞，易氧化问题对电子组装行业来说是一个很大 的挑战，给电子组装工艺带来了很多问题。 ( 1 ) 无铅化后，烽点表面氧化一 “分严重； ( 2 ) 秃镊工艺中，空气气氛下镑浮薅滤瀑蹩大，溺滠力城小，嚣角逡渡不圆 滑，而鼠还增加空洞出现的几率【2 l j ； ( 3 ) 与s n p b 钎料相比无铅钎料种类繁多，篡性能差别很大，表卜2 为几种 无铅钎料的性能比较。 寝i - 2 几种羌镪钎料的成分及性能比较渊 合金成分熔化温度( )优点 - 缺点 b i 5 7 - s n 4 31 3 9高流动性应变速率敏燧，润湿性好 s n 9 6 5 一a 9 3 。5 2 2 1高强寝，抗蠕变熔点偏离，成本较高 i n s i - s n 4 91 2 0滢澎瞧好熔点太糕，塑性曩，藏零较离 s n 9 1 u u z n 91 9 9 商强度，资源丰甯耐腐蚀性藕润湿性著 s n 9 5 - s b 52 4 5抗蠕燮，强度高熔点太高 a u 8 0 - s n 2 02 7 8抗蠕变，耐腐蚀硬，脆，熔点太高，成本离 i n 9 0 一a g l 0 2 3 0润漤性囊i =成本赢，熔点偏赢 2 至鋈王些尘耋三耋堡土兰竺鲨兰 1 2 微电子组装中翼型引线焊点强度的研究现状 随着现代高集成度、高性能电子电路设计的发展，需要实现的焊点越来越 小，而焊点承载的力学、电学和热学负荷越来越重，尤其是伴随着无铅钎料的 开发与应用，对其可靠性要求目益提高m l 。而且s m t 产品在军用、航天等高 技术领域中的恶劣的服役条件和苛刻的高可靠性要求，使得s m t 焊点可靠性 仍然是当今s m t 技术发展领域中最前沿、最重要的研究内容之- - 2 3 1 。从传统 s n p b 钎料向无铅钎料转变的过程中电子行业最关心的还是无铅钎料焊点可靠 性。因而在研制新型无铅钎料系列的同时，对钎料本身的力学性能以及钎焊接 头的力学性能和可靠性进行研究，以此才能解决好无铅钎料的替代问题。 钎焊接头的接合部位在电子机器中担负着为电子部件与印刷基板保持机械 和电气连接的重要作用，如果其中某个接合部位破坏，整个器件就丧失了功 能。如今的电子产品，从航空航天到家电制品，都是处于温度循环、冲击和震 动等恶劣环境中使用，要求焊点具有较高的力学可靠性。钎焊接头部位的可靠 性问题已成为重要内容得到了整个电子组装行业的关注。 s m t 中焊点在服役条件下的可靠性问题主要包括焊点在热机械加载条件 下的力学性能、应力应变过程、蠕变疲劳寿命等【2 ”。对焊点可靠性问题研究有 大量的文献报道，但其中专门对接头焊点强度问题的研究较少。由于航天、汽 车电子和手机行业对s m t 焊点质量的要求不断提高，人们对焊点的力学性能 也变得越来越重视。 传统的拉伸试验方法不能够完全体现电子组装中钎焊接头的力学行为，这 是因为标准试样的尺寸要比真正焊点的尺寸大得多，由于微电子焊点具有的 “尺寸效应”而使得对体钎料的性能评价无法完全应用到真实的微电子焊点当 中。要获得实际接头强度要对焊好的元器件进行焊点强度测试1 2 “。现在无铅钎 料接头的力学性能评价主要包括焊点拉伸和剪切试验、q f p 引线焊点4 5 度拉 脱试验、片式焊点剪切试验和疲劳试验i n l 。 在二级有引线封装体中，利用引线的拉脱试验来评价焊点接头的接合强度 是一种非常广泛的试验方法f 2 7 】。目前，对引线焊点强度进行评价的研究还比较 少，国内尚没有关于引线焊点强度方面的文章发表，而国外对接头强度的研究 主要是采用这种方法来研究钎料合金的成分、热循环，高温放置等条件或引线 镀层种类对焊点接合强度的影响。 如图1 2 所示为o f f 翼型引线焊点4 5 度拉脱试验示意图。通过对o f p 引 竺玺鎏王兰盔耋三兰竺。! ：兰竺鲨兰 线焊点进行试验可以真实反映接头接合部位的力学性能。 圈1 - 2q f p 引线拉脱试验示意图【2 7 i j a r m e s u n d e l i n 等人田1 利用引线的4 5 度角拉脱试验来评价不同成分 s n a g c u 钎料对q f p 接头强度和可靠性的影响。该文献对j 下常钎焊接头以及 2 5 0 0 次热循环后接头进行了焊点强度的拉脱试验并对拉断断口进行了分析，以 此来评价不同成分s n a g c u 钎料对q f r 接头强度和可靠性的影响。 文中提出对翼型引线焊点进行强度测试时应选择4 5 度角进行拉脱试验， 原因是这个角度可以有利结合加载在焊点上的剪切和拉伸两种力，可以得到较 为精确的测定值。同时也提出拉伸后的断裂模式可以分为：( 1 ) 引线断；( 2 ) 钎 缝内部断；( 3 ) 钎缝和焊盘之间断；( 4 ) 焊盘剥离。但认为在拉脱时只有钎缝内 部发生断裂的失效模式才被认为是真正的拉脱断裂。 日本n e c 公司的技术报告中1 2 引针对再流焊工艺中使用s n a g 系列无铅钎 料进行的一系列试验研究中也包括了对钎焊接头接合部位接合特性的研究。该 试验对0 5 m m 间距的q f p 焊点进行了拉脱强度的测定。 图1 - 3 为不同循环次数时的强度变化。从试验结果可知，q f p 的抗拉强度 在不加入b i ，钎料a ( s n 一3 5 a g 一0 7 5 c u ) 断裂大体发生在钎缝处；加入3 b i 的钎料b ( s n - 2 a g - 3 b i - 0 7 c u ) 到3 0 0 次循环，在钎缝接合界面的破坏比较 多，其强度比s n 3 7 p b 低。超过5 0 0 次循环发生焊盘剥离，这与其他钎料无明 显差别。表1 3 所示为接头焊点破坏的模式。 竺筌堡王兰；：i j 兰王兰鳖土竺竺鎏兰 叁 二，c = 孟= 冒1 、u 、 u _ s n 呻嘲 口b 卜 扬期1 0 03 0 0 5 0 0 1 0 0 0 濑度循环敷 图1 - 30 5 m m q f p 接合点的拉伸强度的温度循环试箍结果【2 8 】 表1 3 强度试验中接头焊点破坏模式1 2 8 1 温度循环数初始 1 0 03 0 05 0 01 0 0 0 2 0 8 脚o f pl s n 3 7 p bp 1 0p 1 0p 9 、h 1p 1 0p 1 0 间距s n - 3 s a g - 0 7 5 ( ! u p 7 、h 3 p 1 0 p 8 、h 2 p 1 0p 1 0 0 5m m s n - 2 a g - 3 b i - 0 7 c u p 5 、h 5p 1 、h 9p 1 0 p 1 0p 1 0 沣：p 一从基板焊区剥离；h _ 钎料接台界面剥离。 图1 - 4 不同条件下的q f p 接头强度值比较 e p s o n 公司的技术报告【2 9 】中通过对q f p 2 0 8 元器件进行的拉脱试验，对 6 6 4 2 o 8 6 4 2 o 拉伸强度一z ) 比分析了引线成分为4 2 合金和c u 引线框架形成的焊点在不同热循环时间下拉 脱载荷值的对比( 如图1 4 ) 。报告中提出进行1 0 0 0 次热循环后拉脱载荷值的参 考值应在3 0 ( 1 9 f 或者更高些，而在2 0 0 0 次热循环后强度下降不超过5 0 。该 报告给出了最低拉脱载荷值来分析和评价引线焊点的接合性能。 t o s h i b a 公司】研究q f p 封装体的引线焊点强度时采用2 0 m m m i n 的测定 速度，对热循环( 4 0 + 1 2 5 ，各取3 0 m i n ) 后的q f p 接头进行拉脱试验， 指出焊点强度达到的标准应为不小于5 n 。试验结果见图1 5 。 露1 4 磊1 3 l 倥 童1 1 冀1 0 篁 4 i 1 3 萋 ，2 蓦1 0 l n i l i a l 5 0 艇筘 “m 犏e 阳i u r ec y c l e1 - 2 5 c , r 1 2 5 c l e a dp l a t i i x l , s m c u s o l d e rp a s t e ：蠡m p b h 械l 耐 5 0 。y c 黼雕捌c y o e - 2 5 c t t 2 5 9 c l e a dp l a t l l t ：s n * c u s o i o e , p a s t e ：s n - a g e u 1 日l b a | 5 0 0 c y c i 掷删u 啤c y c l e 卜2 扩c ，1 2 5 c ) l e a dp | 丑t m 9 2s n ，a g s o l d e rp a s i e ；s n - p b i r t b a l 5 c i o g y c f e n 礤吣滞c v 剖e 矗5 。c t t 2 5 0 l e a dp l 融 吩；3 n - a g s o l d e rp a s t e ：s n a g c u 图1 - 5 热循环条件下的q f p 接头强度值” 文献【3 2 在研究封装体引线无铅镀层性能时，对0 、2 5 0 、5 0 0 、7 5 0 、1 0 0 0 次热循环之后的q f p 焊点进行了4 5 度角拉脱试验。认为焊点在拉伸后断裂模 式主要有：引线断、钎缝处断、焊盘剥离；同时对不同条件下的断裂模式做出 了归纳总结，如表1 - 4 。 誊一蒜器e譬群毫鑫叶 哈尔滨t 业大学工学硕一l 学位论文 表1 4q f p 引线拉脱试验的断裂模式【”i i t e m s a m p l en o 拌l 拌2 拌3 撑4 拌5 p l a t i n g s n c us n c u s n c u s n p bs n p b m a t e r i a l p a s t es n p bs a 3 cs a 4 cs n p bs a 3 c 0 c y c l e 37192801 0o1 0 q f p 2 5 0c y c l e5564191946 1 4 2 05 0 0c y c l e825564373 7 1 0 0 l7 5 0c y c l e288255193 7 1 0 0 0c y c l e64 4 63 7 373 7 文中提出焊盘剥离现象也是q f p 引线拉脱试验中主要的断裂模式。该文 献利用了引线焊点的拉脱试验方法对无铅镀层的性能做出了评价，得出与s n p b 镀层相比，s n - 2 0 c u 无铅镀层性能较好的结论。 图1 6 为s n - 5 7 b i 1 a g 、s n p b 钎料形成的q f p 焊点( 引线镀层为p d ) ， 在热循环试验后测试的焊点拉脱强度【33 1 。通过q f p 引线焊点的拉脱强度用来 反映了接合部位耐热疲劳的特性。 亟 彗 嚣 羞 循环数( 狄) 图1 - 6 热循环试验后的q f p 引线拉脱强度【3 3 】 同本琼马大学s h o h j i 博士1 3 4 也进行了q f p 引线焊点的4 5 度角拉脱试 验，研究了热循环和老化条件下s n 一5 a g 一8 i n 一0 5 b i q f p 钎焊接头的强度和微观 结构。指出拉脱试验后可以得到两种断裂模式：钎料引线界面断；c u 焊盘从 基板上剥离。 在o 1 2 5 。c 温度循环和1 2 5 c 老化条件下，增加热循环次数和老化时间 接头强度降低，断裂模式从钎缝引线之间的界面断裂转变为c u 焊盘从基板上 剥离下来。而在4 0 。c 8 5 进行热循环，断裂模式基本不变，但焊盘剥离程 度有所减小，接头强度也相对稳定些。并提出老化后断裂模式主要是焊盘剥 哈尔滨工业大学_ t 学硕十学位论文 离。 1 2 5 c 老化接头强度下降的主要原因是由于基板与c u 焊盘的结合力降低。 图1 7 所示为在1 2 5 。c 条件下接头强度和焊盘剥离程度随老化的变化关系。 图1 71 2 5 老化条件卜的q f p 焊点接头强度堋 y o s h i h a r uk a r i y a 等人【3 5 j 考察了热循环对s n 3 5 a g x ( x = b i ，c u ) q f p 形成 的接头的力学性能的影响。该试验是将q f p 封装体切割下来，用央具钩住引 线垂直于基板平面以0 5 m m m i n 的速度向上拉伸。利用钎料o f p 接头的拉脱 强度来评价接头的热疲劳性能。指出s n - 3 5 a g 和s n 3 5 a g c u 接头具有优良的 热疲劳性能。s n 3 5 a g 接头在温度间隔( 丁) 为10 0 k 时循环12 0 0 次发生疲劳 破坏。在a t = 1 6 0 k ，a t = 1 0 0 k 含b i 钎料的接头的抗疲劳性能均会急剧下 降，经过1 2 0 0 次热循环后，含b i 钎料的接头强度下降到初始强度的2 0 。 s n - 3 5 a g c u 合金的拉脱强度随着循环次数增加稍有下降，但仍高于传统的s n - p b 和含b i 的钎料。 s m t ( s o l d e ri o i n tf o r m a t i o n ) 焊点形态是影响焊点可靠性的重要因素。国外 的焊点可靠性表明，焊点形态与焊点的性能和可靠性直接相关。 1 9 9 2 年n b r a d y 等人【3 6 】考察了问距2 5 m i l l 3 2 引线方形扁平封装( q f p ) 器 件焊点形态对焊点拉伸强度的影响，根据试验结果得出以焊点形态参数描述焊 点拉伸强度的经验关系： n = 2 1 一o 5 8 x 2 + 6 2 x 3 + 2 6 x 4 + 2 1 x 5 ( 1 - 1 ) 式中，x 。( i = 1 , 2 ，3 ，4 ，5 ) 是焊点形态参数，q f p 翼型引脚焊点二维形态参数如图 1 8 所示。研究认为焊点形态参数中焊点跟部圆角高度妁和长度如是影响焊点 强度的主要参数。x ，为引脚上表面焊层厚度，x 2 为引脚和焊盘的高度间隙，勘 为焊跟圆角的曲率半径，拈为焊盘上焊跟长度，x 6 为焊趾处钎料的高度。 哈尔滨t 业大学丁学碗l ：学位论文 引脚 一蝴 图1 8q f p l 型引脚焊点二维形态参数”q 焊点的机械性能是决定其可靠性和寿命的关键因素。再流焊过程中焊点界 面处产生的金属间化合物( i m c ) 虽然能够保证焊点冶金结合，但由于i m c 的机 械和物理性能与钎料和基板不同，过多的i m c 将会弱化焊点的疲劳或断裂强 度，从而危害整个微电子组装体系的寿命，而且在服役过程中i m c 的连续形 成会消耗焊盘导电层从而削弱长期的可靠性。文献 3 7 4 0 研究均表明，受再流 焊时间的长短和钎焊气氛影响的界面反应对钎焊接头的强度和可靠性具有很大 的影响。 1 3 无铅钎料相关标准的规定 无铅化电子组装发展进程中，在开发无铅钎料系列合金、研究其诸多性能 的同时，许多国家政府和组织机构也相继制定有关无铅钎料的相关标准。很多 公司都有自己的无铅钎料专利和相关的企业标准。同本组装行业发展迅速，日 本政府对于无铅钎料的开发利用以及相关标准的制定都十分积极，在2 0 0 3 年 公布了无铅钎料j i sz3 1 9 8 系列标准。 该标准是无铅钎料的开发与应用过程中关于无铅钎料合金性能及接头力学 性能的一系列测试方法的规定，而不是关于钎料合金性能及接头力学性能的测 试标准。该标准的重要意义是给出了无铅钎料的软钎焊性和基本机械性能的测 试方法标准，为企业和研究单位建立无铅钎料基本性质的测试平台确立了基 础。标准主要包括以下七个内容：熔化温度范围测定方法、机械性能测试方 法一拉伸试验、钎料铺展性试验方法、基于润湿平衡法及接触角法的润湿性试 验方法、焊点的拉伸及剪切试验方法、q f p 引线焊点的4 5 度角拉脱试验方 法、芯片类元器件焊点的剪切试验方法。 为了更好、更有效地推动我国电子信息产品无铅化的进程，同时确保产品 质量，为生产商和用户的生产、检验提供依掘，我国焊接标准化技术委员会钎 焊分委员会也提出制定无铅钎料国家标准。 哈尔滨工业人学工学硕：i ：学位论文 1 4 本文主要研究内容 电子工业中用于连接元器件和p c b 板的钎料不仅要求能够导电，而且在 工作过程中需要承受一定的应力。对于后者来说，钎焊接头的强度是非常重要 的评价指标。由于微电子组装行业的飞速发展使得人们在重视无铅钎料开发的 同时，对焊点强度同样给予关注。本文的主要内容就是在借鉴同本无铅钎料中 有关强度测试标准的基础上，进行无铅微电子组装中翼形引线焊点进行4 5 度 角的拉脱试验研究，实现对微小焊点的强度性能评价。根据试验结果，完成我 国无铅钎料该子项目的国家标准制定工作。 基于以上考虑本文主要研究内容如下： ( 1 ) 对s n 一3 5 a g 、s n 一3 0 a g 一0 5 c u 、s n 。3 7 p b 合金钎料钎焊的q f p 元器件 焊点进行4 5 度角拉脱强度试验，考察不同钎料合金在再流焊条件下、不同再 流焊保温时间、不同高温时效时间、不同的钎焊气氛以及不同冷却方式条件下 形成的焊点的拉脱载荷情况。结合试验结果，考察q f p 引线焊点4 5 度角拉脱 试验方法的可行性。 ( 2 ) 对拉断后的焊点和断口进行形貌观察和断口特征分析。 ( 3 ) 在拉脱试验的基础上，借鉴日本j i sz3 1 9 8 ：6 标准，完成无铅钎料标准 中( q f p 引线焊点的4 5 度角拉脱试验方法的国家标准制定。 2 1 引言 第2 章试验材料及设备 本章主要介绍钎焊q f p 元器件和其引线焊点进行4 5 度角拉脱试验的试验 设备，以及试验过程中的试验材料、钎焊工艺及4 5 度角拉脱试验方法。 2 2 试验方法 2 2 1 试验设备与测试仪器 2 2 1 1 s m t 生产设备要对q f p 焊点进行强度测试，首先要利用s m t 工艺完 成q f p 焊点的制备。s m t 工艺主要包括印刷、元器件贴装和再流焊三个重要 环节，分别对s m t 工艺过程中使用的设备做以介绍。 印刷是将一定量的焊膏涂覆在规定形状的焊盘上。印刷工艺采用的是同东 电子科技有限公司s e m 6 8 8 型印刷机，实验参数见表2 - 1 。 表2 - l 焊膏印刷的工艺参数 不锈钢模板的厚度印刷速度刮刀角度压力脱模速度为 0 1 2 r a m2 0 m m s6 0 度角3 0 n1 m m ，s 元件贴装设备采用三星c p 4 5 f v 高速贴片机，贴片精度为0 0 8 m m 。 再流焊设备采用日东公司的n t _ 8 a v 2 氮气保护无铅强制热风对流再流焊 炉。无铅钎料熔点高，润湿性差的特点决定了无铅再流焊工艺不同于传统的有 铅再流焊工艺。n t - 8 a v 2 再流焊炉是基于无铅再流焊特点开发的新型设备， 其主要特点如下： 加热模块均采用增强型p i d 控制的强制热风循环系统，具有优良的均温性 和热效率。设备功率为4 5 k w 。采用电脑全自动控制，可实现各温区独立温控 及监视和在线温度曲线( p r o f i l e ) 测试功能，节省参数调整时间。采用外置冷水 机冷却，可满足各种冷却速率的要求。而且能够实现空气与氮气两用，并能够 实现各加热温区独立充氮和浓度控制。 试验中焊点的温度曲线采用d a t a p a q 测试仪记录。该仪器能在3 0 0 高温 下工作1 0 分钟，采样间隔为5 0 毫秒；测温精度在2 以内。 2 2 1 2 焊点强度测试仪器采用力士科( r h e s c a ) 公司p t r 一1 0 0 0 接合强度检验 机进行q f p 焊点的4 5 度角拉脱试验。仪器的主要参数如下：工作台在x 轴、 】，轴方向上可移动士5 0 m m ：4 5 度倾斜工作台；传感器负荷为1 0 k g f ，精度为 士o 3 ，与主机装配后精度为士0 5 ；在z 轴方向上可以移动5 0 m m ，并可以 旋转士17 0 度角；电源为a c1 0 0 v ( 5 0 6 0 h z ) ；双眼实体显微镜采用标准转塔方 式( 1 5 4 5 倍) ；测定速度可以在o 0 l 1 0 0 m m s e c 之间。带有数据解析软件， 可以用来体现力( f ) 与位移( x ) 之间的变化关系。 2 2 2 试验材料与无铅再流焊工艺 2 2 2 1 试验材料试验基板采用单面刚性板f r - 4 ，厚度为1 6 m m ；选用焊盘 镀层为c u ，尺寸为1 5 r a m 0 2 2 m m 。印刷使用的不锈钢印刷模板厚度为 0 1 2 m m 。试验选用无铅焊膏s n - 3 5 a g ，s n 一3 0 a g 一0 5 c u ，并与s n - 3 7 p b 共晶作 对比，性能参数见表2 2 。 表2 - 2 三种不同类型焊膏的性能参数比较 焊膏种类 s n 3 5 a gs n 3 0 a - g o 5 c u s n 3 7 p b 密度 7 57 48 4 助焊剂量 1 0 0 0 5 w t 1 1 5 w t 1 0 0 0 5 w t 粒度2 5 4 5u m3 0 4 5u m2 5 4 5u m 熔点 2 2 1 2 1 7 2 1 9 1 8 3 选用o 4 m m p i t c h 、1 2 8 p i n 的q f p 元器件作为讨论对象，考察其引线焊点 的拉脱强度。由于目前电子元件的镀层还未全部做到无铅化，故本文使用的引 脚镀层还是现行使用的s n - p b 镀层。q f p 是一种方形扁平封装的元器件，属于 周边引线型封装。它是电子工业封装技术中的一种重要的形式。其封装设计一 般如图2 1 所示。所用元件尺寸见图2 2 和表2 3 所示。 表2 - 3 q f p 封装尺寸 单位：m m p a c k a g e 豢一生上i 上r k 上匕 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 图2 - 1q f p 元器件图2 - 2q f p 器件的封装尺寸示意图 2 2 2 2 无铅再流焊工艺参数的确定以实际无铅再流焊生产工艺为参考，制定 了两种常用的无铅钎料再流焊工艺试验，以s n 一3 7 p b 共晶钎料作对比。温度曲 线参考焊膏生产商提供的温度曲线，如图2 3 所示。 待焊膏回温并进行充分搅拌后，将其印刷在焊盘上，然后进行贴片元器 件，最后把电路板放在再流焊炉中进行钎焊。为了保证试验中工艺参数的准确 性，在钎焊之前要完成p c b 的测温工作。通过反复调节炉温生成符合设计要 求的再流焊温度曲线。在实际的组装生产线上，也要通过炉温调节来准确测定 符合要求的温度曲线。 i ，t ，一j j ， ， ， ( a ) s n - 3 5 a g 焊膏的温度曲线 釜警鎏：兰銮兰三耋薹耋耋璺耋耋 ( b ) s n 一3 o a g - o 5 c u 埠膏的温度曲线 2 手 ，。 。“二_ 、 ，7 腻三- ， 表2 4 再瓣焊炉中各期热模块靛溆度没定佳及雕带运输逮庭 带速 焊膏 各加热模块的温魔设定( ) ( c m m i n ) s n 3 ，5 a g 9 4j 1 31 3 41 5 51 7 41 8 52 7 12 5 18 5 s