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焊点的失效模式与失效机理
  2024-05-20      800

 焊点的失效模式与失效机理

贾忠中  

随着元器件制造质量的提升,电子产品的可靠性很大程度上取决于焊点的可靠性。本文将简要介绍焊点的失效概念、导致焊点失效的加载条件和各类加载条件下的失效机理,以作为分析和解决焊点可靠性问题的基础。

1 焊点

焊点,英文为Solder Joint/Solder Connection,在IPC-T-50G中的定义为:采用焊料连接两种或两种以上金属表面,起电气、机械和导热作用的冶金连接。通俗来说,就是元器件引脚或焊端与PCB焊盘连接的锡合金连接部分,所以也称为焊料连接。

电子元器件的封装有很多类别,不同的封装,其焊端或引脚的结构不同,因而焊点的形态也不同,如图1-1所示。不同形态的焊点,因印制电路板组件(PCBA)在温度变化时受到的应力轴数与大小的不同,其疲劳开裂的起始点以及裂纹形貌特征也不同。

图1 部分焊点的结构/形态

1.1 焊点的微观组织及对焊点可靠性的影响

软钎焊点与通常讨论的金属材料不同,从微观组织上看,软钎焊点具有明显的三部分,即与PCB焊盘形成的界面金属间化合物(IMC)层、与元件焊端基材形成的界面IMC和中间的焊料区域,如图2所示。由于这三个区域金相组织不同,因而也形成了机械性能不同的三个区域,在不同的负载条件下,焊点的开裂位置也呈现了一定的规律性,即由温度循环(热机械应力)导致的裂纹通常出现在焊料区强度比较弱或应力集中的位置,而由机械应力(如冲击、PCB瞬时弯曲)导致的裂纹通常出现在界面IMC与基底材料的界面。

由于界面IMC层的热膨胀系数与焊料有较大的差异,而且比较硬脆,因此而成为影响焊点可靠性最重要的环节。从统计数据看,如果界面IMC层比较厚,会降低焊点的强度,减少具有延展性的焊料部分的体积,使得焊点比较容易发生开裂。因此,对于焊点可靠性而言,界面IMC的厚度与形貌是最大的影响因素,也是制造工艺应重点关注的地方。

图2 焊点的微观组织结构

1.2 焊点的失效

焊点失效指焊点不能工作的状态,通常就是指焊点断裂的现象。焊点在电路中充当电气、热和机械的互连作用,一旦机械断裂甚至仅仅部分开裂就会导致电路的功能失效,因此,焊点的可靠性在电子产品的可靠性中是非常关键的一个环节。

在焊点的可靠性试验中,通常不把焊点的断裂作为实际的失效标准,而是将电气性能——由于裂纹导致测量电阻的增加,作为失效的标准。之所以没有把焊点断裂作为焊点失效的标准,是因为完全断裂的焊点有时不会表现出电气开路,甚至不会出现非常明显的电阻增加。像BGA、BTC类封装,失效的焊点通常被尚未失效的焊点包围并拉压着,焊点的断口表面形成压力接触。这种情况下,焊点的故障仅仅是在热或机械短暂(比如小于1μs)的扰动期间才会表现出电阻尖峰现象(电阻突然升高的现象)。焊点的主要失效机理是疲劳失效,在这种机理下,焊点受到的应力一般为剪切力,断裂焊点的断裂表面彼此相互摩擦,产生间歇接触的特点。因此,IPC有关标准把电气连续性中断(菊花链电阻增加超过1000Ω)且持续时间超过1μs的现象定义为电气失效,即焊点失效的标准。这种定义也是为了适应焊点可靠性试验时连续监测电性能的做法(当然,前提是试验用的芯片是菊花链芯片)。

       需要指出,在做焊点的加速温度循环(ATC)试验时,有时因为买不到同类封装的菊花链芯片,而是采用实际的芯片进行试验。这种情况下,特别是BTC类封装、BGA封装,就无法连续检测焊点的电性能表现,往往采用在预定循环次数时,如温循300次、500次、800次时,进行外观分析或破坏性分析(如染色、切片)的方法来确定焊点的连接状态。这种定循环数的分析方法通常以焊点的开裂(而非断裂)作为失效标准,这显然比测试电性能的标准保守很多。通常情况下,如果焊点刚开始出现裂纹,其有效的疲劳寿命仍然会有50%以上,这点需要认识到。

1.3 焊点的断裂类型

金属材料的断裂类型有多种分类方法。比如,按照金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂;按照受力状态的不同,可将断裂分为静载断裂(如拉伸断裂、扭转断裂、剪切断裂等)、冲击断裂和疲劳断裂。

对于锡合金焊点,我们没有按照传统的金属材料断裂学中的分类方法,而是基于焊点失效的载荷条件与主要使用切片分析的方法,按照切片图上的裂纹特征,将其分为疲劳断裂、脆性断裂和韧窝断裂。

1.3.1 疲劳断裂(Fatigue Fracture)

在温度循环载荷条件下,焊点受到的主要是交变的剪切应力作用,焊点的断裂与时间有关,其切片图上的裂纹基本上呈现非等粗的线性裂纹或带枝杈的裂纹,如图3所示。

图3 疲劳断裂裂纹特征

1.3.2 脆性断裂(Brittle Fracture)

如果PCBA受到机械冲击应力作用,如跌落、PCB瞬间弯曲等,焊点瞬间承受的应力水平超过了本身的强度,就会发生脆性断裂。脆性断裂通常发生在界面IMC的根部或双层IMC界面,但也会发生在脆性的组织中,其切片图上的裂纹基本上呈线状(等粗的)特点,按压时往往可以完全啮合,如图4所受。

图1-4 脆性断裂裂纹特征

1.3.3 韧窝断裂(Dimple Fracture)

有些电子元器件的封装,如BGA、QFN,具有中心支撑并热变形的特点,环境温度变化时,焊点可能叠加拉应力的作用;还有焊点因元件的安装结构设计不当会受到持续拉应力的作用。这些叠加拉应力的焊点的开裂裂纹与纯剪切应力的疲劳裂纹有明显的差异,其切片图上裂纹具有“微空洞串”的现象,如图5所示,这是韧窝断裂裂纹的特征。

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图1-5 QFN焊点韧窝断裂裂纹特征

2 焊点失效机理

在电子产品的寿命期间,表面装贴焊点可能经受各种载荷条件,如果设计不当或制造不良,都可能导致焊点的过早失效。通常导致焊点开裂的载荷有:

● 温度循环

● 振动

● 热冲击(快速温变)

● 机械冲击(高加速度)

焊点的失效机理随载荷条件的不同而不同,以下按照引起焊点失效的载荷条件分别予以简要说明。

2.1 温度循环引发焊点失效的机理

PCBA在温度循环载荷条件下,由于元器件封装与印制电路板(PCB)的热膨胀不匹配,焊点会受到交变应力的作用。在长期的交变载荷作用下,焊点会出现开裂/断裂现象,我们把这种由温度循环或交变载荷导致的、与时间有关的焊点失效现象称之为疲劳失效。

热循环中主要的损伤机理是焊点里的蠕变/应力释放-疲劳的累积增强。图1-6是粘塑性应变能程式化的图示表达,应力应变图中的循环磁滞回线区域表示消耗一个疲劳循环。粘塑性应变能引起疲劳损伤,它是由一个一个周期积累而形成的。当从零应力、零应变状态加载时,焊点首先会经历弹性应变,随后如果继续加载,超出了焊料的屈服强度,则会发生塑性应变。这里需要指出的是,对焊料来说既没有真正的弹性应变也没有真正意义上的屈服强度,弹性应变-屈服线被简化为非线性应力应变反应,它高度依赖于温度,加载频率,焊料组成以及晶粒结构。

在塑性变形之后是与温度和应力水平相关的焊点应力松弛/蠕变响应。随着疲劳损伤的累积,焊点的晶粒结构变粗。在消耗焊点大约25%到50%疲劳寿命之后,在晶粒交界处形成微孔洞。这些孔洞增长形成微裂纹,进一步累积疲劳损伤,增长并形成大的裂缝,这就是温度循环引发的焊点失效机理。

图6 应力应变图

排除诸如润湿不良、不恰当的工艺等外部因素外,上述的疲劳过程包含两种基本的失效机理或现象——疲劳和蠕变。

1)疲劳

疲劳是焊点受到交变载荷作用时渐进发生的局部结构损伤(原子以及更大量级)现象,如图7所示。

image.png

(消耗的疲劳寿命占比)

图7 焊点结构的累积疲劳损伤示意图

一般疲劳过程可以分为三个阶段:初始裂纹形成(看上去有更像空洞)、裂纹扩展和断裂。当应力超过一定的阈值时,初始的微裂纹开始形成,这种局部的损伤使得我们能够把疲劳与蠕变现象区分开来。随着循环应力的持续作用,裂纹会逐渐扩展并最终达到临界尺寸,之后焊点会发生瞬时断裂。

2)蠕变

室温下,在做金属材料拉伸试验时,长期保持屈服极限以下的应力,试件不会产生塑性变形,也就是说应力-应变关系不会因载荷作用时间的长短而发生变化。但是,在较高的温度下,特别是当温度达到材料熔点的1/3到1/2时,即使应力在屈服极限以下,试件也会发生塑性变形,时间愈长,变形量愈大,直至断裂。这种发生在高温区域下的缓慢的塑性变形就是蠕变(Creep)。

不同材料产生蠕变的临界温度不同。由于温度对蠕变行为有很大的影响,因此可以利用归一化温度η(homologous temperature,有的文献翻译为同系温度、同源温度)来表征。归一化温度η定义为材料服役环境绝对温度Tc与其熔点绝对温度Tm的比值,即η=Tc/Tm。所谓高温蠕变,即归一化温度η超过0.5的蠕变。高温下承载一定重量的材料,即使应力很小也会慢慢发生变形,本质上就是会发生晶体的剪切滑移。

对于软钎焊焊料来讲,其熔化温度大约在180℃~230℃,即使在室温时也已经达到再结晶温度(条件:T>0.5Tm),此时就已经受到原子扩散的影响。

蠕变伴随应力释放,引起塑性变形,这是导致疲劳失效的核心机理。

3)蠕变和疲劳的交互作⽤

现实电子产品中的焊点,通常会暴露在同时导致疲劳和蠕变的状况下,并且它们会有交互作用。简言之,这种环境可被视为循环热负载下的蠕变或高温下的疲劳。蠕变和疲劳之间交互的本质使焊点退化行为和潜在的失效机理复杂化。

因此,焊点固有的退化并最终导致失效,基本上不可能是单独的蠕变或疲劳失效,而是疲劳和蠕变交互作用的结果。

2.2 机械应力导致焊点失效的机理

机械应力是指焊点对于机械扰动的响应。这些扰动包括冲击事件,可能会发生于运输、安装或者现场使用时;瞬时弯曲,可能会发生在制造过程中(ICT测试、功能测试、安装等等)或现场使用中;循环弯曲,例如在BGA附近的重复键击,或由风扇或在系统中(或其附近)的马达引起的振动。所有以上扰动源(或其它)会影响焊点的机械完整性,在使用时所有这些情况都应被考虑到。

1)冲击

冲击通常指跌落或撞击事件,它具有“极高速”的特征,使得互连材料没有足够的时间对施力作出响应。尽管运输和最终使用环境下的冲击事件最为典型,但是冲击可能发生在产品寿命周期中的任何阶段。冲击可导致焊点互连部分或全部分离,如图8所示,这种分离可发生在构成焊点完全互连的任何界面处。即便是部分界面断裂,在产品整个寿命中,最终也会引起焊点电气失效。通常较脆的材料和界面特别容易因冲击而失效。

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图8 BGA完全掉落案例

2) 瞬时弯曲

瞬时弯曲通常指较短时间(比如1s~3s)内发生的PCB弯曲事件,它具有低的应变次数(典型为1至10次弯曲事件)和相对较慢的应变速率特点。这种弯曲事件可由制造过程引发,诸如在线测试(ICT)、连接器插入操作、将印制电路板组件(PCBA)固定到机箱时的拧螺钉操作等。瞬时弯曲也会发生在元件维修、运输以及终端使用过程中。如同冲击一样,瞬时弯曲会引起焊点的部分开裂或完全的断裂,这取决于“瞬时”的时间与瞬时弯曲次数。即使部分的开裂最终也会在多次的瞬时弯曲或温度循环负载条件下发展成为完全的断裂。

图9为某一产品失效单板的安装状态图。此产品发货给客户后,有一定比例的失效,分析发现其上一块一角悬空安装单板上的BGA出现了多个焊点的开裂现象。这是一个典型的由运输过程中的振动导致PCB瞬时弯曲的案例,但根本的原因就是单板的安装方式不当——一角悬空安装。通常情况下,PCBA是不允许悬空安装的,特别是那些尺寸比较大、比较重的PCBA,这样的安装结构不耐振动。

图9 悬空安装单板组件运输过程中导致BGA焊点开裂

3)循环弯曲

循环弯曲,由许多相对低的应变事件构成,这些事件次数可达数千甚至更多。通常由重复性的低应力动作引发,如键盘动作、运输和连接器插入或拔出(例如笔记本接口)。随着时间的推移,疲劳失效就会出现。

瞬时弯曲与循环弯曲,虽然从应变级别与次数上作了界定,但是有时很难分清,在实际的案例分析中,可以把它们归为“PCB弯曲变形”一类事件看待。

4)振动

振动是物体围绕平衡位置进行的周期性运动。这类运动在许多应用中都会遇到,包括汽车、航空航天和军事应用。因此,在这些环境中使用的电子外壳或结构也受到振动。振动通过机箱或外壳的主要结构传到印刷电路。单板及其边缘支架之间的相对运动导致单板的扭曲/变形。振动载荷下,表面安装焊点中的应力主要是由印制板的弓曲和扭曲引起的。

一般来说,因振动而引起的应力等级或者循环应力振幅相对来说是很小的,这与高频率移动相关,负载的快速变化不允许应力释放,它引起的是焊点的弹性应变。

然而,在某些条件下,在焊点中可以诱导非常高的应力。如果外部驱动力的频率接近电路板的固有频率,则会发生较大的电路板挠曲。因此,在特定的位置焊点会产生很大的应力。

振动产生的裂纹一般为穿晶裂纹,这与在蠕变主导的热疲劳中,裂纹是沿晶开裂的不同。裂纹以条痕(Striation)形式稳定增长,直到焊点再也无法承受施加的载荷。振动导致的焊点失效,一般发生在大量的循环/周期之后(104/更多),因此被称为高周期疲劳。

2.3热冲击损伤机理

热冲击通常指温度变化非常迅速(大约30°C/分或更快)的事件。当PCBA急速进入到一个新的热环境中时,由于其表面与内部的巨大温度梯度,会引发表面安装组件的扭曲变形,如图10所示,从而使焊点受到拉伸和剪切应力的作用,此时拉伸应力在稳态膨胀失配中占主导地位。因此,如果PCBA热膨胀失配,在受到热冲击时焊点将会失效。

image.png

图10 PCBA在热冲击作用下由热梯度导致的热机械变形

热冲击条件可能来自几个方面,如:

1)外部环境急速变化,比如,太空中设备由光照处转到背光处。

2)功率状态发生突然的巨大的变化。

3)各种制作/修复过程,比如,波峰焊、选择焊、烙铁焊接、返工和返修等等。

在设计可靠性实验时,并不总是考虑到热冲击和热循环的区别,但是,由于加载机理的不同,热冲击与热循环有根本的不同。热冲击往往导致焊点应力的多轴态且被拉伸过应力和拉伸疲劳支配,而热循环通过剪切疲劳和应力释放的相互作用导致失效。因此,

热冲击和热循环两种类型测试的结果是不相关的,即使通过一些设计措施也不能在这两种情况下都会延长寿命。因此,用于评估表面贴装焊点可靠性的热冲击测试仅在热冲击确实是产品所遇到的现场条件时才是合适的。

3 关于焊点的可靠性

3.1 焊点的可靠性取决于PCBA的互连结构设计

焊点本质上是一个“冶金连接”,就单个焊点而言没有可靠性之说。只要焊点润湿良好、形态符合IPC-A-610的可接受条件,就是一个合格的焊点。焊点的可靠性只有置于互连结构(如PCBA)中讨论才有意义。

焊点的可靠性问题主要是缺陷焊点、超载断裂和疲劳断裂。

缺陷焊点,是由工艺因素导致的,通过全面、系统的工艺设计和工艺控制,往往可以得到有效管控;超载断裂,多数发生在装焊操作、运输等环节,属于随机发生的过应力损伤问题;而疲劳断裂则是电子产品焊点失效的主要模式,它的发生源自周期性温度变化时元器件与PCB的热膨胀失配,失配程度取决于PCBA的互连结构设计。

图11为一个元件的安装互连结构示意图。从中可以看到,元器件的封装结构、材料、尺寸与PCB的结构、材料,决定了元器件与PCB的热膨胀失配程度,这些因素是由设计决定的。而制造工艺只是完成元器件与PCB的焊接,它不能决定焊点的可靠性,但是,不当的工艺会产生缺陷性的焊点,会劣化焊点的强度,成为早期失效的焊点,因此,我们可以讲,焊点的可靠性取决于PCBA的互连结构设计,而制造只是焊点可靠性的保证。

图11 焊点的可靠性取决于PCBA的互连设计

3.2 焊点的可靠性工作

焊点的可靠性工作,不同于产品的可靠性。产品可靠性的工作主要涉及到可靠性建模、可靠性分配、可靠性预计、可靠性分析、可靠性设计、可靠性试验等一系列工程活动。而焊点的可靠性属于电子产品可靠性的最底层级,对于焊点的可靠性问题,业界已经进行了比较广泛的研究并形成了一套行之有效的做法和设计准则,核心的工作就是可靠性设计与可靠性试验。对于焊点的可靠性工作,通常都是围绕以下基本问题开展的:

1)识别PCBA上容易发生焊点失效的封装,可以通过如温循试验、检查单等方法识别。

2)评估焊点的寿命,可以采用仿真分析或温度循环加速试验进行评估。

3)典型的焊点失效场景研究及焊点可靠性设计准则的开发。

4)缺陷焊点产生原因分析及有效控制方法的试验研究。

3.3 焊点失效原因的分析往往是一项耗时费力的工作

焊点的失效分析,包括失效模式与失效机理/原因的分析。失效模式的分析比较简单,采用常规的一些分析手段,如染色、切片等,很容易判定。如果自己所在公司没有条件去做,社会上也有很多专业的分析检测机构都可以做。但是,对具体的失效原因的分析,往往就不是一件轻松的事情,需要花费很大的精力梳理产品寿命周期内的每个过程信息,然后根据这些信息提出可能的失效原因并进行试验确认。这个“提出假设、试验验证”的过程往往不是一撮而就的,常常需要反复多次,直到失效现象与推测因素强相关起来。很多的分析往往不是一两天就可以完成,甚至需要数月的时间。之所以如此,主要因为每次的试验验证需要很长时间(如试验样板的准备往往需要1个月的时间,包括设计、制作和焊接),另外它仍然是一项依靠经验的工作,碰到新的失效场景就会遇到很大的困难,需要对涉及到的各种可能性因素的关联性进行一一确认,甚至不得不进行机理的研究。总的来讲,焊点失效机理或原因的分析是一项费时费力的复杂工作!

参考资料:

1 贾忠中,SMT工艺不良与组织可靠性(第二版),电子工业出版社,2023.09。

2 IPC-9701,IPC-SM-785。

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