影響小尺寸封裝器件焊點可靠性的因素

睿

摘要：

本文從器件引腳鍍層種類、厚度，焊接參數和焊盤設計等幾個方面對小尺寸封裝器件焊點可靠性的影響做了分析，給出了提高焊點可靠性的方法，並通過UG軟體建立了電路板和SOP焊點的三維有限元模型，進行了SOP器件焊點在近似試驗載荷條件下的應力應變三維有限元數值模擬，得出了焊點內部精確的應力應變分布。

1、引言

目前，表面貼裝器件（Surface Mount Technology，簡稱SMT）的應用越來越廣泛，但其致命的弱點是焊點壽命有限、可靠性較差，所以研究表面貼裝器件的可靠性顯的尤為必要，而且設備越先進，控制系統的功能越強大，電子設備元器件也越多，其失效的概率就愈大，一旦失效，造成的經濟損失就愈慘重，尤其是安裝在火箭、空間探測器以及衛星等高尖端設備中的電子設備常常受到來自外界連續隨機衝擊，對器件的可靠性要求非常高。小尺寸封裝器件是一種兩側有引腳朝外的典型表面貼裝器件，目前軍工產品對這類器件的應用越來越多，影響焊點可靠性的因數也很多，本文從器件引腳鍍層、焊接參數、印製板焊盤鍍層和設計幾個方面進行了研究。

2、器件引腳鍍層

1.1鍍層種類

通常片式元件的焊端大多採用Ni / Sn或純Sn鍍層，對於低端產品以及壽命要求小於5年的元器件一般鍍純Sn，對於高可靠產品及壽命大於5年的元器件一般採用Ni打底鍍覆工藝以防止錫須產生。

SOP器件引腳材料一般為Fe/Ni合金或Cu合金，表面鍍層採用Ni/Pd,Ni/Pd/Au等，鍍Au層厚度控制不當，會產生金脆現象發生。預鍍的Ni/Pd和Ni/Pd/Au引腳框架作為無鉛焊接的一種可選方案，於1989年首先由德州儀器(TI)引進。其主要優勢在於該技術適於商業應用，且封裝工藝得以簡化，良好的潤濕性。但是對大批量產品應用而言，Ni/Pd/Au解決方案不具備優勢，主要原因在於其成本較高，而且根據現有資料記錄，該方案存在可靠性問題。此外，鍍層在彎曲時會發生斷裂，而且在焊接、引線接合和成模時也存在間題。和金成本高且難以預計，引腳框架的供貨商數量也有限，這些都是該方案的劣勢所在。

2.2 器件引腳鍍層

器件引腳鍍層的可焊性隨著鍍層厚度的增加而增加（見圖1），當鍍層厚度小於5μm 時，因為鍍層太薄，再加上表面生成的氧化物層的影響，可焊性較差，無法達到焊接要求；但隨著鍍層厚度的增加，上述的影響會逐漸減少，故潤濕時間降低，鍍層的可焊性不斷提高。所以只有鍍層達到一定的厚度時，才能保證鍍錫層良好的可焊性。一般來說，在沒有表面氧化膜的前提下，鍍錫層厚度為7μm～16 μm，就基本能達到可焊性的要求，鍍層在7μm～15μm間就滿足可焊性要求。

圖1鍍層厚度對可焊性的影響

3、焊接參數

1.1溫度

我們以XILINX公司的XCF型SOP為例,通過以手工焊接溫度、是否預熱、是否搪錫為變數進行焊接試驗，焊接試驗完畢後進行溫度循環和振動試驗，然後進行金相切片分析，分析結果見表1，從表1中可以看出在預熱情況下，手工焊接溫度達到310 ℃時，焊接的效果最好。

表1 SOP器件焊接試驗

1.2焊錫的爬升高度

焊料爬升高度對器件的可靠性影響是多方面的，當焊料爬升低於L形引腳高度的一半時，焊點不可靠，而且對於純Sn鍍層器件，焊料爬升高度太低會加速Sn須的生長。

由於焊點尺寸細小，現有試驗手段無法監測焊點的內部應力，本文利用三維整體/局部有限元模型相結合的方法，進行SOP焊點在近似試驗載荷條件下的應力應變三維有限元數值模擬，器件整體和焊點局部的有限元三維實體模型利用UG進行建立（見圖2和圖3）。

我們通過有限元模擬結果來觀察焊料爬升高度不同時焊錫上承受應力的區別，當焊錫爬升高度超過L形引腳高度一半距離時（見圖4），整個焊點的最大應力是709.5 kPa；當焊錫爬升高度低於L形引腳高度一半距離時（見圖5），整個焊點的最大應力增大到1 547 kPa，可見，焊錫爬升高度加大有助於焊點上極限應力的降低，大大提高了焊點的可靠性。

圖2 焊錫爬升高度高的焊接模型

圖 3焊錫爬升高度低的焊接模型

圖4 爬升高度高焊錫最大應力709.5KPa

圖 5 爬升高度低焊錫最大應力1547KPa

1.3搪錫

在可接受的焊接溫度下，器件是否搪錫，其形成的合金層Cu6Sn5厚度會有所不同，但合金層厚度只要在0.5μm～5μm之間就是符合要求的，但其應力分布有所差異，合金層Cu6Sn5的厚度由2.28μm減小為1.11μm後（都在0.5μm～5μm安全範圍間），合金層的應力變大，由於合金層Cu6Sn5具有硬而脆的性質，在合金層處斷裂的概率增大。

模型圖和網格劃分結果如圖6和圖7所示,分析結果如圖8～圖13:

圖6 厚合金層器件網格劃分

圖 7薄合金層器件網格劃分

圖8 厚合金層應力103.303 KPa

圖 9 薄合金層應力108.47 KPa

圖10 焊盤應力143.732 KPa

圖 11 焊盤應力141.87 KPa

圖12 焊錫應力1 552 KPa

圖 13 焊錫應力1 547 KPa

4、焊盤

焊盤的鍍層材料和尺寸對器件的可靠性有著很大的影響,當器件引腳是Cu基體鍍純Sn，對應的焊盤最好為Cu基體鍍PbSn,當器件引腳為Cu基體外層鍍Ni，最外層鍍純Sn，對應焊盤最好為Cu基體外層鍍Ni，最外層鍍金。

焊盤寬度一般為晶元引線中心距的1/2,不同晶元規格的焊盤寬度設計可以參考以下尺寸：

表2 不同晶元規格的焊盤寬度設計參考尺寸(單位mm)

焊盤長度不應過長（易引起連焊）或太短（易引起虛焊或焊錫爬升達不到要求，尤其是對於無鉛鍍層器件），建議如下圖14進行設計：

圖14 SOP器件引腳和焊盤尺寸關係

A:焊盤內側露出部分，A=（1.2~2）倍焊盤寬度；

B:焊盤外側露出部分，B=（1.2~1.6）倍焊盤寬度.

5、小結

元器件的焊接是一個複雜的物理、化學變化過程，影響其最終焊點可靠性的因數也非常多，本文針對小尺寸封裝器件，從器件鍍層、焊接參數、印製板焊盤鍍層和設計幾個方面說明了它們對焊點可靠性影響，並利用三維有限元數值模擬方法，首次對焊錫爬升高度對焊點極限應力影響做了分析，得出增大焊錫爬升高度可以大大提高焊點可靠性的結論。

往期回顧

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