工艺可靠性试验概论！

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<div id="js_content">一、工艺可靠性试验的目的焊点在微电子封装产业中起着举足轻重的作用。积极优化焊接工艺，找出失效模式，分析失效机理，提高产品质量和可靠性水平，对电子封装产业均有重要的意义。由于现代电子产品中采用微电子学器件和功能模组越来越多，微电子器件封装中的焊点也越来越细小，而其所承载的力学、电学和热力学负荷却越来越重，对焊点的可靠性要求日益增高。例如，新型的芯片尺寸封装（CSP）、微间距的钎料球阵列封装（μBGA）、堆叠封装（POP）等技术，均要求通过焊点直接实现不同材料间的电气、热和机械等的连接。就是这大量的、细小的、不可视的焊点的焊接质量与工艺可靠性，几乎决定了整个产品系统的质量和设计的总体可靠性。而这些大量的微细焊点的焊接质量，就完全依赖于事先对其进行的工艺可靠性设计的精细度来确保。也就是说，微焊点的焊点质量就完全依赖于微焊点焊接的工艺可靠性设计才能确保。为了确保根据工艺可靠性设计所获得的指导原则而制定的可执行工艺规范的合理性和适应性，必须要对产品初始执行的组装工艺规范和工艺可靠性设计目标进行检验验证。它构成了新产品工艺中的核心内容和目标，唯有通过工艺中可靠性验证的工艺规范，才可投放批量生产线使用。显然工艺可靠性试验是有别于设计可靠性试验的。工艺可靠性试验是围绕着影响工艺可靠性的诸因素来展开的，而且绝大多数都要通过对具体的焊点的微观分析，才能获得最终的正确结果。工艺可靠性试验主要关注的是对经过组装后的PCBA上的微焊点的接合部，进行如下的必要的试验：（1）热负荷试验（温度冲击或温度循环试验）。（2）按照疲劳寿命试验条件对电子器件接合部进行机械应力测试。（3）使用模型进行寿命评估。目前比较著名的模型有：低循环疲劳的Coffin-Manson模型，一般在考虑平均温度与频率的影响时使用修正的Coffin-Manson模型，在考虑材料的温度特性及蠕变关系时采用Coffin-Manson模型。在焊点工艺可靠性测试中，应包括：●等温机械疲劳测试：根据等温机械疲劳测试结果，可以确认相同温度下不同材料的抗机械应力能力，同时还表明不同材料显示出不同的失效机理。●热疲劳测试：用于考察由于热应力所引起的循环疲劳对焊点连接可靠性的影响。●耐腐蚀测试：主要考察在环境应力条件下的耐受能力。二、试验分类和检测技术的适用性1、试验分类工艺可靠性试验可分为非破坏性和破坏性两类，具体应进行的试验项目如表1所示。表1 工艺可靠性试验项目?2、检验技术的适应性检验技术在开发BGA组装工艺中，可用于不同的阶段或者是在生产过程中作为一种查证失效机理的常用方法。对于检验方法的可应用性，表2给出了一些建议。表2 建议采用的检验方法?三、主要的试验内容和方法1.外观检查1）目的外观检查的目的是：失效定位，模式判断。2）检查内容●润湿角；●失效部位；●批次或个别例；●焊点表面颜色；●表面洁净状况。3）检查设备外观检查时，常用的设备有金相显微镜和立体显微镜，如图1、图2所示。?图1 金相显微镜?图2 立体显微镜2、 接合强度评价1）剪切试验（根据JIS Z 3198-7）图3所示是根据标准JIS Z 3198-7而设计的对集成部件焊接处强度进行剪切试验的说明。焊接在基板上的集成部件，被先端半径为R0.25的推具推断，从而得到最大推断力和破断时的位置（钎料部、界面、部件部）。?图3 集成器件焊接处强度试验2）基板耐久（弯曲）试验基板的耐久试验分别根据标准：① JIS C60068-2-21 EIAJRCX-0104/101中规定：在一定的条件下，基板弯曲时，对其电气、机械性能的试验方法；② 标准EIAJ-ET7407中规定了对CSP、BGA封装状态下多次弯曲时，对其电气、机械性能影响的试验方法。图4和图5所示是引脚接合部的强度试验举例。具体确定有无破断的地方，焊接种类不同对结果有无影响，与形状是否有关等。?图4 破断位置?图5 试验装置3）引线拉拔试验（带引线零件）（1）评价QFP/SOP。将拉引线夹具挂钩挂在QFP的一根引线上，在跟基板成45°的方向，以50mm/s速度拉引线，读取最大载荷，如图6所示。?图6 QFP/SOP引线拉拔试验（2）评价通孔元件（插装元件）。垂直于基板方向，在不施加任何冲击的情况下，以固定速度拉引线，读取焊接部脱离时的载荷，如图7所示。?图7 通孔元件引线拉拔试验4）BGA接合强度试验图8所示是BGA接合强度测试方法，图9所示是测试装置。测试方法有如下两种：（1）极限弯曲试验：测定弯曲的距离和破断个数；（2）多次弯曲试验：测定弯曲的次数和破断个数。?图8 BGA接合强度测试方法?图9 测试装置5）随机振动试验（1）目的：了解运输和操作压力，如图10所示。（2）可能的失效：●电开路，界面分离或成分污染（损害）；●焊点裂缝。（3）试验条件和判断依据：●振动条件：频谱20Hz～20kHz、6g，x、y、z轴各6g；●失效标准：有100Ω的电阻变化。?图10 随机振动试验6）基板扭转试验移动通信设备等对基板可能要施加扭转弯曲应力的产品，要施加符合实际使用情况的载荷。3、X射线透视检查1）X射线的使用当检测肉眼看不到的隐藏的和不能测试的焊点时，就采用X射线的方法进行检测，如图11所示。?图11 X射线检查根据使用的X射线系统的能力，X射线能够探测到多数与焊接相关的缺陷，如桥接、开路、钎料不足和钎料过多。其他类型的缺陷有：漏贴钎料球、错位和封装产生“爆米花”现象等。X射线除了能够探测缺陷外，还具有分析趋向的能力，例如，可提供有关钎料量和焊点形状的信息。在查找BGA焊点的孔洞方面，X射线是唯一一种没有破坏性的方法。2）X射线图像捕获原理图12说明了X射线图像捕获的基本原理。X射线检验已成为评估和分析焊点的一种通用手段，并可以作为再流焊接工艺的监控器。通过对X射线图像的捕获，可使X射线检验技术得到更广泛的应用。?图12 X射线图像捕获的基本原理通常，AXI设备的应用方式有3种，即：●AXI发射——通常指的是“2D”X射线；●AXI断层——通常指的是“3D”X射线；●2D/3D-AXI组合使用。发射、断层和组合的X射线技术都能够探测PCBA组装缺陷，这些类型的组装缺陷包括短路、开路、器件扭曲和焊接孔洞。不同厚度或密度的材料，如共晶钎料，探测器接收的X射线光子的衰减与材料厚度和密度成正比。生成的灰度图像可以解释为确定焊点是否可以接受。图13、图14所示是发射检验说明。?图13 FBGA焊点的俯视图?图14FBGA焊点的倾斜视图3）断层X射线技术在双面PCB上，由于一些小焊点的重叠，采用X射线发射技术是探测不到这些焊点的。X射线发射技术可以捕获整体钎料量的信息，而断层技术可以捕获专门的“切片”信息。所以，在探测某些类型的焊接缺陷中，这些技术既有独特的能力，又有共同的能力。使用X射线分层摄影技术，X光源和X光图像平面相对于检验中的电子器件以协调的方式移动，如图15所示。?图15 光束扫描的X射线分层摄影法器件只有一层（切片）图像是清晰的，图像平面中的其他所有层都是模糊不清的。层析X射线照相组合技术在检验过程中，可以捕获从不同角度拍摄的几张发射X射线图像，并与这些图像算法的数字数据结合，为平面上的分析建立有效切片。4）X射线图像分析掌握某个BGA器件构造和再流焊接工艺，有助于钎料球键合的X射线图像的数据整理和分析。还应考虑X射线图像分析的并存因素，这些因素包括：① 确定BGA钎料球是PBGA还是CBGA。② 确定定位的CBGA钎料球的共面性是否保持不变。③ 再流焊接温度是否达到足以实现完全对位和坍塌。④ 在再流焊接过程中BGA封装是否出现某些方式的物理变形。4、红外热敏成像红外热敏成像是利用光学和红外（IR）探测器给出靶面的红外热辐射的图像。它常用于失效定位和模式判定，可进行：●PBGA温度场分布分析；●模块温度场分布分析。温度过高、过低部位的焊点往往是开路或虚焊。不同样本的热性能比较如图16所示。?图16 不同样本的热性能比较5、红外显微镜分析（FT）红外显微镜分析常用于分析失效原因，例如：●焊点表面（有机）污染物的分析；●可焊性不良的焊盘表面有机污染物的分析；●焊点开路或虚焊的深层次原因分析。6、声频显微扫描检测技术1）声频显微扫描的特点和应用声频显微扫描检测技术（SAM），也称声频扫描X射线断层法（SAT），是一种非破坏性故障分析工具。这种方法使用声波来扫描组装的内层。通常在半导体封装领域将其用来探测内部脱层或位于电子组装内的孔洞。这种测试方法可以找到脱层的位置和BGA封装内的孔洞位置。在使用底层填充料的情况下，在将BGA黏附到基板后，它还可以探测出底层填料中异常现象的位置。脱层和孔洞探测的分辨能力取决于用于分析的声频。分辨能力将随着频率的上升而提高。230MHz的转换器可使探测分辨率降到约25μm；而为了穿透较厚或损耗较大的材料，则需要较低的频率。穿透性强烈程度依赖于特定材料。例如，在任何频率上，结晶材料通常对超声波几乎是透明的，随后是陶瓷、玻璃、金属，而对聚合物则几乎全被吸收。对某个点的观察被定义为SAM，线扫描被定义为b-SAM，而面积扫描则被定义为C-SAM。图17所示是倒装芯片组装中底层填料中的孔洞位置声频显微扫描检测。超声波能很好地透过电子元器件封装用的大多数固体材料。由于空气不是超声波能量的良导体，所以能量传送需将检验的样品置于水中来完成。超声波传感器的透镜部分也需浸没在流体中，以便进行SAM分析。这种方法探测不出孔洞或脱层中进的水。?图16 声频显微扫描检测2）C型扫描声学显微镜C型扫描声学显微镜（C-SAM）主要用在反射（脉冲回波）工作方式，在样品内的特定深度层上形成样品图像。聚焦的超声波传感器交替将脉冲发送进入样品内部的不连续处，并接收从该处反射的回波脉冲。回波在具有不同弹性的两种材料之间的界面上形成。回波依据样品中反射特性的深度在时间上被分开。电子门用于对一部分回波信号“开窗口”，以利选择特定深度范围进行观察。速度极高的机械系统使传感器对样品扫描并逐点收集数据。以数字方式由数据点收集构成输出图像。C型扫描声学显微镜图像的产生通常只需几十分之一秒，因此在需要进行逐层分析的解析研究中优先采用。7 、扫描电镜与能谱分析1）应用场合●焊点金相组织观察与成分分析；●可焊性不良的焊盘表面污染物分析；●焊点开路或虚焊的深层次原因分析。2）工作原理（1）扫描电镜SEM。如图17所示，电子枪发射的电子束经透镜和物镜的缩小和聚焦后，以较小的直径、较高的能量和强度到达试样的表面。在扫描线圈的偏转作用下，电子束以一定时间和空间顺序在试样表面作逐点式扫描运动。入射电子在样品表面互相作用，产生背散电子和二次发射电子。只要样品表面发射两种电子的一种，即可得到电子扫描的图像，如图18所示。