本文關鍵字：

　　摘 要：介紹了SMT焊點質量常用檢測方法，包括外觀到內部組織機構、從電性能到機械性能等各項檢測的原理和應用范圍，并分析了在工藝、制造和使用過程中出現的各種焊點失效機理，并從焊點稽核結構設計、釬料性質及材料熱匹配等方面提出了降低失效率、提高焊點可靠性的途徑。

關鍵詞：表面組裝技術，焊點質量，檢測，可靠性，熱循環，SMT

中國分類號：TN606 文獻標識碼：A 文章標號：1004-4507（2005）09-0026-08

為確保電子產品質量穩定性和可靠性，或對失效產品進行分析診斷，一般需進行必要的焊點質量檢測。SMT中焊點質量檢測方法很多，應該根據不同元器件、不同檢測項目等選擇不同的檢測方法。

1 焊點質量檢測方法

焊點質量常用檢測方法有非破壞性、破壞性和環境檢測3種，見表1所示。

1.1 目視檢測

目視檢測時最常用的一種非破壞性檢測方法，可用萬能投影儀或10倍放大鏡進行檢測。檢測速度和精度與檢測人員能力有關，評價可按照以下基準進行：

（1）濕潤狀態

釬料完全覆蓋焊盤及引線的釬焊部位，接觸角最好小于20°，通常以小于30°為標準，最大不超過60°。

(2)焊點外觀

釬料流動性好，表面完整且平滑光亮，無針孔、砂粒、裂紋、橋連和拉尖等微小缺陷。

(3)釬料量

釬焊引線時，釬料輪廓薄且引線輪廓明顯可見。

1.2 電氣檢測

電氣檢測是產品在加載條件下通電，以檢測是否滿足所要求的規范。它能有效地查出目視檢測所不能發現的微小裂紋和橋連等。檢測時可使用各種電氣測量儀，檢測導通不良及在釬焊過程中引起的元器件熱損壞。前者是由微小裂紋、極細絲的錫蝕和松香粘附等引起，后者是由于過熱使元器件失效或助焊劑分解氣體引起元器件的腐蝕和變質等。

1.3 X-ray檢測

X-ray檢測是利用X射線可穿透物質并在物質中有衰減的特性來發現缺陷，主要檢測焊點內部缺陷，如bga、CSP和FC焊點等。目前X射線設備的X光束斑一般在1-5μm范圍內，不能用來檢測亞微米范圍內的焊點微小開裂。

1.4 超聲波檢測

超聲波檢測利用超聲波束能透入金屬材料的深處，由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發生反射的特點來檢測焊點的缺陷。來自焊點表面的超聲波進入金屬內部，遇到缺陷及焊點底部時就會發生反射現象，將反射波束收集到熒光屏上形成脈沖波形，根據波形的特點來判斷缺陷的位置、大小和性質。超聲波檢驗具有靈敏度高、操作方便、檢驗速度快、成本低、對人體無害等優點，但是對缺陷進行定性和定量判定尚存在困難。 掃描超聲波顯微鏡(C-SAM)主要利用高頻超聲(一般為100 MHz以上)在材料不連續的地方界面上反射產生的位相及振幅變化來成像，是用來檢測元器件內部的分層、空洞和裂紋等一種有效方法。采用微聲像技術，通過超聲換能器把超聲脈沖發射到元件封裝中，在表面和底板這一深度范圍內，超聲反饋回波信號以稍微不同的時間間隔到達轉化器，經過處理就得到可視的內部圖像，再通過選通回波信號，將成像限制在檢測區域，得到缺陷圖。一般采用頻率從100 MHz到230 MHz，最高可達300 MHz，檢測分辨率也相應提高。
1.5 機械性破壞檢測

機械性破壞檢測是將焊點進行機械性破壞，從它的強度和斷裂面來檢查缺陷的。常用的評價指標有拉伸強度、剝離強度和剪切強度。因為對所有的產品進行檢測是不可能的，所以只能進行適量的抽檢。

l.6 顯微組織檢測

顯微組織檢測是將焊點切片、研磨、拋光后用顯微鏡來觀察其界面，是一種發現釬料雜質、熔蝕、組織結構、合金層及微小裂紋的有效方法。焊點裂紋一般呈中心對稱分布，因而應盡量可能沿對角線方向制樣。顯微組織檢測和機械性破壞檢測一樣，不可能對所有的成品進行檢測，只能進行適量的抽檢。光學顯微鏡是最常用的一種檢測儀器，放大倍數一般達1 000倍，可以直觀的反映材料樣品組織形態，但分辨率較低，約20 nm。

1.7 其它幾種檢測方法

染色試驗熒光滲透劑檢測是利用紫外線照射某些熒光物質產生熒光的特性來檢測焊點表面缺陷的方法。檢驗時先在試件上涂上滲透性很強的熒光油液，停留5-10 min，然后除凈表面多余的熒光液，這樣只有在缺陷里存在熒光液。接著在焊點表面撒一層氧化鎂粉末，振動數下，在缺陷處的氧化鎂被熒光油液滲透，并有一部分滲入缺陷內腔，然后把多余的粉末吹掉。在暗室里用紫外線照射，留在缺陷處的熒光物質就會發出照亮的熒光，顯示出缺陷。 磁粉檢測是利用磁粉檢測漏磁的方法，檢測時利用一種含有細磁粉的薄膜膠片，記錄釬焊焊點中的質量變化情況。使用后的幾分鐘內，膠片凝固并把磁粉"凝結"在一定的位置上，就可以觀察被檢測試件上的磁粉分布圖形，確定是否有缺陷。由于大多數釬料是非磁性的，因此不常用于釬焊焊點的檢驗。

化學分析方法可測量樣品的平均成分，并能達到很高精度，但不能給出元素分布情況。

染色與滲透檢測技術(D&PT)是通過高滲透性高著色性染料滲透到焊點開裂區域，然后拉開焊點，觀測焊點內部開裂程度和分布。試驗時必須小心控制拉斷器件時的外力，以保證焊點繼續沿預開裂區域斷開。 X-ray衍射(XRD)是通過X-ray在晶體中的衍射現象來分析晶體結構、晶格參數、缺陷、不同結構相的含量及內應力的方法，它是建立在一定晶格結構模型基礎上的間接方法。
IPC-970l標準化了五種試驗條件下的熱循環試驗方法，從良性的TCl參考循環條件到惡劣的TC4條件，符合合格要求的熱循環數(NTC)從NTC-A變化到NTC-E(見表4)。

失效循環次數可用一個簡單修正的Coffin-Manson數模來預測，并可以加速獲得熱循環測試結果。Coffin-Manson數模是關于熱應力引起的低循環疲勞對微電路和半導體封裝可靠性影響進行建模的有效方法，表達式為：

其中：Nf為疲勞失效循環數，A為常數，εp為每個循環的應變范圍，f為循環頻率，K為波爾茲曼常數(eV)，Tmax為最高循環溫度(K)。

IPC-9701使用Engelmaier-Wild焊點失效模型來評估加速因子AF(循環數)和AF(時間)。AF(循環數)與焊點的循環疲勞壽命有關，是在給定使用環境中產品壽命的試驗中獲得，可表示為：

其中：AF為加速因子，Nfield為現場循環數，Nlab為試驗循環數，ffield為現場循環頻率，flab為試驗循環頻率，△Tfield為現場溫度變化，△Tlab為試驗溫度變化，Tfield-max為現場最高溫度，Tlab-max為試驗最高溫度。

AF(時間)與焊點失效的時間有關，是在給定的使用環境中產品壽命的試驗中獲得，可表示為：

設計試驗時，在芯片和PCB內引入菊花鏈結構使得組裝后的焊點形成網絡，通過檢測網絡通斷來判斷焊點是否失效。一般需要采用高速連續方案，在納秒級內連續高速采樣，以保證及時準確探測到焊點的開裂。評價時常根據某一恒定的金屬界面上電位降或電阻變化來判斷焊點的質量，一般電阻增加150-225 Ω·ms，就可判斷為電性能失效，測得的電阻值超過閥值電阻1 000 Ω，就認為是開路。

注意的是，相同高溫溫差引起的損壞程度比低溫要大，高溫變率條件下失效循環次數比低溫變率條件下失效循環次數要低，這對其它溫度范圍和溫變率的預測提供了更保守的失效周期，起到加速試驗的效果。但在快速溫變條件下如果改變了失效機理，焊點特征值的變化就不可能真實地反應大多數現場應用情況。此外，Reza Ghaffarian還發現失效應力條件可從全局轉變為局部，比如小型化封裝易出現從焊接接合點到封裝組裝一側的失效轉移，這就要求建立正確的的失效模型，否則會導致錯誤的失效循環次數預測結果。

一般規定熱循環可接受指標為：-40～125℃，800-1000次循環未失效即可。這些基于和實際現場使用條件相應的模擬結果的指標有很大的安全余量，對于大多數產品來講，300次循環就已足夠。 　
電子顯微鏡(EM)是用高能電子束做光源，用磁場作透鏡制作的電子光學儀器，主要包括掃描電子顯微鏡(SEM)，透射電子顯微鏡(TEM)，電子探針顯微鏡(EPMA)和掃描透射電子顯微鏡(STEM)。其中SEM用來觀察樣品表面形貌，TEM用來觀察樣品內部組織形態和結構，EPMA用來確定樣品微觀區域化學成分，STEM具有SEM和TEM的雙層功能。

此外，紅外熱相(IRTI)分析、激光全息照相法和實時射線照相法等也可用于焊點質量檢測。表2為不同分析項目的一些主要分析方法。

2 加載檢測及可靠性評價

產品失效主要原因包括溫度、濕度、振動和灰塵等，各占比例為55％、19％、20％和6％。加載檢測是每一個部件在實用條件下進行加載以檢測其動作狀況，方法有振動檢測、沖擊檢測、熱循環檢測、加速度檢測和耐壓檢測等，一般根據實用條件把它們組合起來進行，且要求對每一個成品進行檢測。這種方法最為嚴格，可靠性高，只有航天產品等可靠性要求特別嚴格的情形下才予以采用。

近年來國際上采用一種全新的焊點可靠性評估方法，即等溫加速扭轉循環法(MDS)，通過在一定溫度下周期扭轉整個印刷電路板來考察焊點的可靠性。該方法在焊點內產生的應力以剪切應力為主，和溫度循環相似，因而失效模式和機理極為相似，但試驗周期卻可從溫度循環的幾個月減少到幾天。該方法不但可以用來快速評估焊點可靠性，同時也可以用來進行快速設計和工藝參數優化。

可靠性評價分類見表3。遷移是金屬材料在環境下化學反應形成的表面侵蝕現象，其生長過程分為陽極溶解、離子遷移和陰極還原，即金屬電極正極溶解、移動，在負極析出導致短路。遷移的發生形態常稱為Dendrite和CAF(見圖1)。Dendrite指遷移使金屬在PCB的絕緣部表面析出，或者是形成樹枝狀的氧化物；CAF指金屬順著印制板內部的玻璃纖維析出，或者使氧化物作纖維狀的延伸。

金屬離子的指標可用標準電極電位Eo來表示，其中Sn比Pb和Cu穩定，能形成保護性高的純態氧化膜，抑制陽極溶解。電極電位的大小不僅取決于電對的本性，還與參加電極反應的各種物質的濃度有關。對于大多數電對來說，因為H＋(或OH-)直接參與了電極反應，因此電極電位還與pH值有關：pH值越高，電極電位越小。另外，助焊劑殘留如果不清洗干凈，一些腐蝕性、活性元素(如Cl)會使電遷移更強，影響電路可靠性。所以，目前常用免清洗助焊劑嚴格控制其活性和組份。

3 熱循環加速試驗

熱循環失效是指焊點在熱循環或功率循環過程中，由于芯片載體材料和基本材料存在明顯的熱膨脹系數(CTE)差異所導致的蠕變-疲勞失效。通常SMT中芯片載體材料為陶瓷(A12O3)，CTE為6.0×10-6/℃，基板材料為環氧樹脂／玻璃纖維復合板(FR4)，CTE為20.0×10-6/℃，二者相差3倍以上。當環境溫度發生變化或元件本身通電發熱時，由于二者間CTE差異，在焊點內部就產生周期性變化的應力應變過程，從而導致焊點的失效。
IPC-970l標準化了五種試驗條件下的熱循環試驗方法，從良性的TCl參考循環條件到惡劣的TC4條件，符合合格要求的熱循環數(NTC)從NTC-A變化到NTC-E(見表4)。

失效循環次數可用一個簡單修正的Coffin-Manson數模來預測，并可以加速獲得熱循環測試結果。Coffin-Manson數模是關于熱應力引起的低循環疲勞對微電路和半導體封裝可靠性影響進行建模的有效方法，表達式為：

其中：Nf為疲勞失效循環數，A為常數，εp為每個循環的應變范圍，f為循環頻率，K為波爾茲曼常數(eV)，Tmax為最高循環溫度(K)。

IPC-9701使用Engelmaier-Wild焊點失效模型來評估加速因子AF(循環數)和AF(時間)。AF(循環數)與焊點的循環疲勞壽命有關，是在給定使用環境中產品壽命的試驗中獲得，可表示為：

其中：AF為加速因子，Nfield為現場循環數，Nlab為試驗循環數，ffield為現場循環頻率，flab為試驗循環頻率，△Tfield為現場溫度變化，△Tlab為試驗溫度變化，Tfield-max為現場最高溫度，Tlab-max為試驗最高溫度。

AF(時間)與焊點失效的時間有關，是在給定的使用環境中產品壽命的試驗中獲得，可表示為：

設計試驗時，在芯片和PCB內引入菊花鏈結構使得組裝后的焊點形成網絡，通過檢測網絡通斷來判斷焊點是否失效。一般需要采用高速連續方案，在納秒級內連續高速采樣，以保證及時準確探測到焊點的開裂。評價時常根據某一恒定的金屬界面上電位降或電阻變化來判斷焊點的質量，一般電阻增加150-225 Ω·ms，就可判斷為電性能失效，測得的電阻值超過閥值電阻1 000 Ω，就認為是開路。

注意的是，相同高溫溫差引起的損壞程度比低溫要大，高溫變率條件下失效循環次數比低溫變率條件下失效循環次數要低，這對其它溫度范圍和溫變率的預測提供了更保守的失效周期，起到加速試驗的效果。但在快速溫變條件下如果改變了失效機理，焊點特征值的變化就不可能真實地反應大多數現場應用情況。此外，Reza Ghaffarian還發現失效應力條件可從全局轉變為局部，比如小型化封裝易出現從焊接接合點到封裝組裝一側的失效轉移，這就要求建立正確的的失效模型，否則會導致錯誤的失效循環次數預測結果。

一般規定熱循環可接受指標為：-40～125℃，800-1000次循環未失效即可。這些基于和實際現場使用條件相應的模擬結果的指標有很大的安全余量，對于大多數產品來講，300次循環就已足夠。