SMT焊点的可靠性研究及CBGA焊点有限元分析

摘要

表面组装技术焊点的可靠性问题是电子产品能够广泛应用的关键问题。本文针对某型号产品对元器件的要求，从QFP、PBGA到CBGA焊点的可靠性进行了系统的研究。 利用微焊点强度测试仪(STR－1000)对QFP焊点进行抗拉强度的测试，研究了引脚数、焊膏成分(选择SnPb和SnAgCu焊膏为代表)对其力学性能的影响，借助扫描电子显微镜对焊点断裂处的形貌进行了分析。结果表明：在相同引脚数的条件下，SnAgCu焊膏的QFP焊点抗拉强度大于SnPb焊膏的QFP焊点抗拉强度；在焊膏成分相同时，100引脚QFP焊点的强度大于48引脚QFP焊点的强度。 PBGA 封装(为塑料封装)克服了QFP焊点细间距的缺点，但是其焊点质量的检测方法研究仍未成熟。用X射线对一系列PBGA焊点进行检测，采用微焊点强度测试仪研究了微焊点的抗剪强度，并对不同直径的PBGA焊点的抗剪强度进行了比较。研究结果表明：在相同条件下，PBGA球直径越大，抗剪强度值越小；共晶钎料PBGA焊点的抗剪强度比锡铅合金钎料自身的抗剪强度大。 CBGA封装克服了PBGA 封装(为塑料封装)容易吸潮的缺点，但是其焊点的可靠性仍为重要的研究对象。按照美国军用标准，对CBGA封装焊点进行热循环试验。研究发现：CBGA焊点热循环达到170次时，在焊点的下界面开始产生裂纹并沿晶界扩展；随着热循环次数的增加，焊点的上界面也逐渐出现裂纹，热循环达到240次时失效。随着热循环次数的增加，CBGA封装焊点的晶粒逐渐长大，金属化合物层增厚，焊点的抗剪强度随着热循环次数的增加而下降。 在CBGA封装焊点试验研究的基础之上，采用ANSYS软件对焊点进行了2D和3D的有限元分析。结果表明：温度载荷下焊点的应力应变随着时间均产生动态变化，焊点的应力应变呈周期性变化规律。焊点的应力集中在焊点的最下端，即在焊点与基板界面首先出现裂纹，随着循环次数的增加，在焊点的上界面也逐渐出现裂纹。2D分析模拟与大多数理论分析结果一致，3D计算结果与实际测试结果基本吻合，研究结果对某型号产品寿命预测以及电子行业产品寿命评价有着较好的理论指导意义。