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现代电子装联工艺可靠性

2019-02-11 10:06
可靠性杂坛
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三、现代电子装联工艺技术的划界及其可靠性

电子装备技术从20世纪20年代末开始应用以来已经历了80余年的发展,跨越了4个发展阶段,现进入了第五个发展时代。从产品后工序(装联工序)本身的技术发展态势来看,其所经历的发展阶段,大致可用图6来描述。

图6

从图6所示电子装联工艺技术的划代来看,现代电子装联工艺技术的内涵主要是以PCB板级组装为对象。图7示出了在现代电子设备中典型的板级组装的安装层次。

图7

随着电子设备和安装技术高密度化程度的不同,具体的安装层次也有所差异。例如,将未封装的IC裸芯片直接搭载在PCB上时(裸芯片安装),在IC片内导体图形的配线是最精密的,最前端的IC布线间的间距(L/S)约为0.09μm。但是,当由多个IC、LSI及其他元器件等集合构成超精密图形连线时,它还不能成为人们能操作的系统。只有最终配上键盘、开关等后才能达到人们能操作的尺寸,此时布线的间距就可能扩大了上万倍。

3)现代电子装联工艺可靠性的研究对象随着高密度面阵列封装器件(μBGA、CSP、FCOB等)和微型元器件(0201、01005、EMI等)在工业中的大量应用,“微焊接”技术对高密度组装的可靠性的影响越来越大。

其特点是:

●由于焊点的微细化,人手不可能直接接近,基本上属于一种“无检查工艺”。因此,必须要建立确保焊点接触可靠性的保证系统(对制造系统的要求)。焊点内任何空洞、异物等都会成为影响接续可靠性的因素(对接合部构造的要求)。

●在再流过程中由于热引起的BGA、CSP或PCB基板的变形翘曲均会导致焊点钎料空缺,并把大量残留应力留金物理过程,以确保生成的金属间化合物层(也称合金层或IMC)的厚度和成分均在焊点可靠性要求的范围之内。

●在已焊好的BGA、CSP球阵封装的二级互连微焊接焊点中,为避免在应用过程中因IMC层厚度及金相组织发生变异,导致微焊点因可靠性蜕变而失效,研究和掌握其蜕变机理及其对策,对延长焊点的工作寿命有重大的现实意义。

●研究微焊点在各种恶劣环境中工作的可靠性问题及其加固措施。

●分门别类地深入研究各类芯片封装的微焊点与PCB焊盘互连工艺的优化,及其对焊点可靠性的影响程度。

●研究组装工作环境因素对微焊点可靠性影响的统计学规律。

●研究球阵封装芯片二级互连焊盘的表面处理类型,对“微焊点”焊接质量及可靠性蜕变的诱导作用。

●焊盘设计:包括形状、大小和掩膜界定,对于可制造性和可测试性(DFM/DFT),以及满足制造成本和可靠性等方面的要求都是至关重要的。

●推进“微焊接工艺设计”。所谓“微焊接工艺设计”,就是用计算机模拟焊接接合部的可靠性设计,从而获得实际生产线的可靠性管理措施和控制项目;对生产线可能发生的不良现象进行预测,从而求得预防不良现象发生原因。

●0201、01005元件的推出,蜂窝电话制造商就把它们与CSP一起组装到电话中,PCB尺寸由此至少减小一半,间距可小至100μm。处理这类封装相当麻烦,要减少后工艺缺陷(如桥接和立碑)的出现,焊盘尺寸优化和元器件间的间距是关键。

四、研究现代电子装联工艺可靠性的现实意义

电子组装的可靠性依赖于各个元器件的可靠性,以及这些元器件界面间的力学、热学及电学的可靠性。这些接触界面,表面贴装焊接层不但提供了电气连接,还提供了电子元器件到PCB基板的机械连接,同时还有元器件严重发热时的散热功能。一个单独的焊点很难说可靠还是不可靠,但是电子元器件通过焊点连接到PCB上时,这个焊点就变得唯一了,也就具有了可靠性的意义。

钎料中的晶粒结构本来就是不稳定的。SnPb钎料的重结晶温度是在其共晶温度之下的。晶粒尺寸随着时间的增加而增大。晶粒结构的生长减少了细晶粒的内能。这种晶粒的增长过程是随着温度的升高及在循环载荷中输入的应变能的增加而增强的。晶粒的生长过程到达某个特定点,便会显露出累积疲劳损伤的迹象。这种迹象在对焊点进行加速试验时,比焊点在工作环境中使用时表现得更为明显。污染物,像铅的氧化物及助焊剂残留物,绝大多数滞留在晶粒的边界处。随着晶粒的生长,这些污染物的浓度在晶粒边界处增长,因此会延缓晶粒的生长。当其消耗掉钎料约25%的疲劳寿命后,在晶粒边界的交叉处就可以看到微空穴;当消耗掉约40%的疲劳寿命后,微空穴变成微裂痕;这些微裂痕相互聚结形成大裂痕,最后会导致整个焊点的断裂。

焊点常常连接的是特性不相同的材料,导致整体热膨胀不匹配。作为主要材料的钎料,在特性上与焊接结构材料有很大的不同,导致局部热膨胀不匹配。热膨胀不匹配的严重性以及由此造成的可靠性隐患,依赖于电子组装工艺的设计参数和工作使用环境。当今国内外由制造因素导致的电子产品失效中,约有80%是出自焊接的质量问题。而在焊点的失效中,面阵列封装器件(如BGA、CSP、FCOB等)焊点的失效又占整个焊接质量缺陷的80%左右。显然解决面阵列封装器件(如BGA、CSP、FC0B等)的焊点失效问题,是改善现代电子产品制造质量和工作可靠性的重中之重。根据樊融融编著的现代电子装联工艺可靠性改编。

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