聚焦瑞凯,传递环境检测行业新动态

解析: GJB 9380-2018表面安装器件焊点寿命试验方法之印制电路板设计

作者: salmon范 编辑: 瑞凯仪器 来源: www.riukai.com 发布日期: 2019.06.21
    一个焊点的形成包括了焊料的润湿、焊料与被焊面之间的选择性扩散以及金属间化物的合金化过程,焊点的质量好坏直接影响了PCBA的互联可靠性。高可靠性的焊点通常要有较强的环境适应能力,温度的变化将导致焊点经历周期性的蠕变,最终会发生焊点疲劳失效。因此,可以根据焊点的疲劳失效机理,选择恒温恒湿试验箱(或温度循环试验箱)来考核焊点的可靠性,具体方案如图1所示。

表面安装器件焊点寿命试验方法

图1 表面安装器件焊点寿命试验方法

    1、试验设备

    恒温恒湿试验箱或温度循环试验箱
温度循环试验箱

    2、试验芯片和封装要求

    被试器件的封装,即布局、结构和材料(包括试验芯片粘接及其工艺、填充及其工艺、丝焊/倒装试验芯片等)应能代表实际器件的特征,并且试验芯片与外部引出端的连接应与实际生产的器件相同,同时采用菊花链(菊花链,就是一种电路连接方案(A点与B点相连,B点与C点相连,C点与D点相连),并且菊花链芯片也仅起到电气连接作用。)的结构设计。对一些功能简单的器件(如分立器件),可使用带菊花链结构的机械结构件代替试验芯片,并且机械结构件的尺寸应与被试器件芯片的尺寸相仿。
对于板级塑封球栅阵列(BGA)器件进行温度循环试验时,即使这些焊点只在接地/电源位置,菊花链必须覆盖此区域(如封装角上的焊点、外边的焊点、试验芯片边缘底部或接近底部的焊点、封装中央的焊点);
    对于陶瓷材料的器件,直角部位的引出端通常最早出现失效,该区域应被视为关键区域,菊花链也必须覆盖此区域。
    允许采用单线连续监测的菊花链设计,推荐采用对每个器件布置多个网络进行独立监测的菊花链设计。采用的菊花链设计能够为最先失效的区域提供附加的信息。

    3、印制电路板的设计及菊花链要求

    印制电路板的布线、厚度和焊盘设计及菊花链结构均会影响焊点的质量,因此印制电路板的设计为:
    菊花链网设计在印制电路板的顶层,这样可以避免将通孔失效误判为菊花链失效。
    厚度优选为2.35mm,至少六层铜箔;若封装尺寸大于40mm,推荐使用厚度为3.15mm,八层铜箔。外层铜箔厚度为35μm(推荐),印制线路最小宽度为150μm(推荐)
    试验用印制电路板应与实际印制电路板采用相同的材料和布线,还需测量玻璃软化温度Tg和x、y方向上的热膨胀系数。
    内层中偶数层的电源层/接地层必须有70%的铜覆盖率,寄数层上的信号层必须有40%的铜覆盖率。
    至少50%的焊盘上包含通孔,产生与实际印制板通孔相似的机械应力。
    与引出端焊接的印制电路板的焊盘直径应为器件被焊料润湿的焊盘直径的80%~100%。
    印制电路板的菊花链设计应与器件的菊花链连成一个完整的菊花链网络。
    推荐在每个菊花链网内设计人工多探针式焊盘一遍进行失效隔离。

    4、试验样品安装

    为了保证试验的有效性,被试器件安装到印制电路板之前(表面安装器件一般采用回流焊和热风加工台进行组装),必须对被试器件的引出端进行考核,剔除引出端不满足要求的器件,如可以按GJB548B-2005方法2004进行引线牢固性或按GJB7677-2012第5章进行焊球剪切试验。
    试验样品组装前必须对印制电路板的组装定位工艺参数(包括焊料量、焊膏对准、印刷速度、刮刀压力、漏板离网和热温度曲线等)进行优化,同时应按程序对组装前的试验样品及再加工处理前的试验样品进行储存和烘焙,若未规定潮湿敏感度等级和烘烤要求,则组装前的试验样品按125℃下烘焙24h进行预处理,对于再加工处理前的样品按105℃下烘焙24h进行。
    组装后的试验样品必须采用X射线对所有焊点进行缺陷检查,如焊点桥接、开路、焊点丢失、空洞、引出端对位不良以及缺少角焊缝;同时,还需要检查试验样品的电气通路,便于剔除菊花链电路的开路、短路或其他异常现象。
    试验前检查合格的试验样品放置在箱中,不能阻碍气流越过和在样品四周流动,也要避免试验样品的温度短时间内剧烈变化(温度变化过程中,样品温度与箱内温度差应控制在±3℃范围内,对于热容量大的试验样品,应使用单曲 恒温恒湿试验箱来达到规定的温度变化率)。
    试验样品的温度达到规定的极限值后,至少保温10min,升温和降温速率不应超过20℃/min

    5、试验过程监测

    试验过程监测分为温度及电气两部分进行:
    温度监测
    恒温恒湿试验箱初次启动时,需要对箱内每块板上的器件温度进行监测;在温度循环过程中,应连续监测至少2块印制电路板(中间和四周)上的2个器件的温度以及恒温箱的环境温度。
    电气监测
    通过自动监测仪对菊花链电路进行连续的电气监测,不能使用人工读书的方法进行连续监测。如出现持续时间小于或等于1μ或菊花链电路电阻值增量大于或等于1000Ω的中断,则定义第1次中断,在出现第1次中断后10%的循环时间内,如发现大于或等于9个的中断事件,则确认为失效。为了确定失效是由互连造成的,需要监测大量的中断。

    6、焊点寿命评价

    除另有规定外,应抽取33只器件进行试验,其中32只用于试验,1只在组装后做显微组织检查。应为返工准备至少10只未进行过组装的器件。用户方在评估器件能否满足规定应用要求时,也可另行规定抽样方案。
    温度循环试验前,可以在100℃下对组装后的试验样品进行24h的高温老炼;温度循环试验条件应按表1进行,除另有规定外,应使用等级TC1进行试验,也可以根据器件应用环境的要求规定温度循环试验的高温温度和低温温度(即TC7)
    表1  温度条件
    温度循环次数应按表2进行,除另有规定外,应选择代码NTC-E(6000次循环)进行试验,也可根据对器件使用寿命的要求自定义温度循环试验的循环次数。
    表2  循环次数
    试验样品按照规定的试验条件进行规定次数的温度循环试验且未监测到失效,则器件通过焊点评价试验。

    7、失效分析及技术手段

    若试验样品以零失效通过规定次数的 温度循环试验,则承制方也应对试验样品进行失效分析(每种类型的印制电路板至少随机选择3只器件)以保证不遗漏由于菊花链设计失误或监测设备故障而未被发现的失效。若出现失效,应对失效样品进行失效分析以确定发现的电气失效的位置、模式以及失效机理。
    失效分析的技术手段包括,外观检查、X射线检查、金相切片、扫描电子显微镜观察,声学扫描显微镜检查以及染色与渗透试验等。
    外观检查,主要是检查焊点的润湿角、颜色以及焊点的失效位置,如焊盘润湿角>90°,则焊盘润湿性不良;如器件引出端润湿角>90°,则引出端润湿性不良;若焊盘及器件引出端的润湿角均大于>90°,则焊接工艺参数可能存在问题。焊点位置是否存在规律性,还是随机失效。
    X射线检查,主要是检查焊点是否存在虚焊或开路的情况,如焊球在焊接后,焊球会由圆形变成椭圆,若焊接后焊球还是圆形,将存在虚焊或开路的风险。
    扫描电子显微镜检查,主要是检查引起引出端或焊盘上焊接不良污染物或多余物的成分。
    金相切片分析,采用从取样、镶嵌、切片、抛磨、腐蚀、观察的破坏性手段对焊点的剖面的微观结构质量进行检查,具体流程可以参考IPC-TM-650 2.1.1规定的流程。
    染色与渗透试验,是将PCBA样品置于染色剂中,让染色剂充分渗透到焊接区域并抽真空;然后将置于染色剂的样品取出后进行干燥;其次将干燥后的器件与PCB垂直分离,若引出端与焊盘之间存在裂纹或空洞,那么在分离界面上就会发现染色剂,则说明该区域存在焊点缺陷,最后根据存在焊点缺陷界面处的染色剂位置及深浅,依次统计记录各焊点的失效模式,用Mapping图表示出来。
【相关推荐】
查看详情 + 上一条 检验心得:真空环境下材料释气评价方法及程序,与空间用材的挑选
查看详情 + 下一条 电子元器件温度循环试验

东莞市瑞凯环境检测仪器有限公司 版权所有

备案号:粤ICP备11018191号

咨询热线:400-088-3892 技术支持:瑞凯仪器 百度统计

联系我们

  • 邮箱:riukai@riukai.com
  • 手机:189 3856 3648
  • 座机:0769-81019278
  • 公司地址:东莞市横沥镇西城工业园二区B19号

关注我们

  • <a title="瑞凯仪器客服" target="_blank" href="javascript:void(0);"></a>客服微信
  • <a title="微信公众号" target="_blank" href="javascript:void(0);"></a>关注官方公众号