工艺可靠性试验概论
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焊点在微电子封装产业中起着举足轻重的作用。积极优化焊接工艺，找出失效模式，分析失效机理，提高产品质量和可靠性水平，对电子封装产业均有重要的意义。由于现代电子产品中采用微电子学器件和功能模组越来越多，微电子器件封装中的焊点也越来越细小，而其所承载的力学、电学和热力学负荷却越来越重，对焊点的可靠性要求日益增高。例如，新型的芯片尺寸封装（CSP）、微间距的钎料球阵列封装（μBGA）、堆叠封装（POP）等技术，均要求通过焊点直接实现不同材料间的电气、热和机械等的连接。就是这大量的、细小的、不可视的焊点的焊接质量与工艺可靠性，几乎决定了整个产品系统的质量和设计的总体可靠性。而这些大量的微细焊点的焊接质量，就完全依赖于事先对其进行的工艺可靠性设计的精细度来确保。也就是说，微焊点的焊点质量就完全依赖于微焊点焊接的工艺可靠性设计才能确保。为了确保根据工艺可靠性设计所获得的指导原则而制定的可执行工艺规范的合理性和适应性，必须要对产品初始执行的组装工艺规范和工艺可靠性设计目标进行检验验证。它构成了新产品工艺中的核心内容和目标，唯有通过工艺中可靠性验证的工艺规范，才可投放批量生产线使用。显然工艺可靠性试验是有别于设计可靠性试验的。工艺可靠性试验是围绕着影响工艺可靠性的诸因素来展开的，而且绝大多数都要通过对具体的焊点的微观分析，才能获得最终的正确结果。工艺可靠性试验主要关注的是对经过组装后的PCBA上的微焊点的接合部，进行如下的必要的试验：（2）按照疲劳寿命试验条件对电子器件接合部进行机械应力测试。（3）使用模型进行寿命评估。目前比较著名的模型有：低循环疲劳的Coffin-Manson模型，一般在考虑平均温度与频率的影响时使用修正的Coffin-Manson模型，在考虑材料的温度特性及蠕变关系时采用Coffin-Manson模型。●等温机械疲劳测试：根据等温机械疲劳测试结果，可以确认相同温度下不同材料的抗机械应力能力，同时还表明不同材料显示出不同的失效机理。●热疲劳测试：用于考察由于热应力所引起的循环疲劳对焊点连接可靠性的影响。●耐腐蚀测试：主要考察在环境应力条件下的耐受能力。工艺可靠性试验可分为非破坏性和破坏性两类，具体应进行的试验项目如表1所示。检验技术在开发BGA组装工艺中，可用于不同的阶段或者是在生产过程中作为一种查证失效机理的常用方法。对于检验方法的可应用性，表2给出了一些建议。外观检查时，常用的设备有金相显微镜和立体显微镜，如图1、图2所示。图3所示是根据标准JIS Z 3198-7而设计的对集成部件焊接处强度进行剪切试验的说明。焊接在基板上的集成部件，被先端半径为R0.25的推具推断，从而得到最大推断力和破断时的位置（钎料部、界面、部件部）。① JIS C60068-2-21 EIAJRCX-0104/101中规定：在一定的条件下，基板弯曲时，对其电气、机械性能的试验方法；② 标准EIAJ-ET7407中规定了对CSP、BGA封装状态下多次弯曲时，对其电气、机械性能影响的试验方法。图4和图5所示是引脚接合部的强度试验举例。具体确定有无破断的地方，焊接种类不同对结果有无影响，与形状是否有关等。（1）评价QFP/SOP。将拉引线夹具挂钩挂在QFP的一根引线上，在跟基板成45°的方向，以50mm/s速度拉引线，读取最大载荷，如图6所示。（2）评价通孔元件（插装元件）。垂直于基板方向，在不施加任何冲击的情况下，以固定速度拉引线，读取焊接部脱离时的载荷，如图7所示。图8所示是BGA接合强度测试方法，图9所示是测试装置。测试方法有如下两种：●振动条件：频谱20Hz～20kHz、6g，x、y、z轴各6g；移动通信设备等对基板可能要施加扭转弯曲应力的产品，要施加符合实际使用情况的载荷。当检测肉眼看不到的隐藏的和不能测试的焊点时，就采用X射线的方法进行检测，如图11所示。根据使用的X射线系统的能力，X射线能够探测到多数与焊接相关的缺陷，如桥接、开路、钎料不足和钎料过多。其他类型的缺陷有：漏贴钎料球、错位和封装产生“爆米花”现象等。X射线除了能够探测缺陷外，还具有分析趋向的能力，例如，可提供有关钎料量和焊点形状的信息。在查找BGA焊点的孔洞方面，X射线是唯一一种没有破坏性的方法。图12说明了X射线图像捕获的基本原理。X射线检验已成为评估和分析焊点的一种通用手段，并可以作为再流焊接工艺的监控器。通过对X射线图像的捕获，可使X射线检验技术得到更广泛的应用。发射、断层和组合的X射线技术都能够探测PCBA组装缺陷，这些类型的组装缺陷包括短路、开路、器件扭曲和焊接孔洞。不同厚度或密度的材料，如共晶钎料，探测器接收的X射线光子的衰减与材料厚度和密度成正比。生成的灰度图像可以解释为确定焊点是否可以接受。图13、图14所示是发射检验说明。在双面PCB上，由于一些小焊点的重叠，采用X射线发射技术是探测不到这些焊点的。X射线发射技术可以捕获整体钎料量的信息，而断层技术可以捕获专门的“切片”信息。所以，在探测某些类型的焊接缺陷中，这些技术既有独特的能力，又有共同的能力。使用X射线分层摄影技术，X光源和X光图像平面相对于检验中的电子器件以协调的方式移动，如图15所示。器件只有一层（切片）图像是清晰的，图像平面中的其他所有层都是模糊不清的。层析X射线照相组合技术在检验过程中，可以捕获从不同角度拍摄的几张发射X射线图像，并与这些图像算法的数字数据结合，为平面上的分析建立有效切片。掌握某个BGA器件构造和再流焊接工艺，有助于钎料球键合的X射线图像的数据整理和分析。还应考虑X射线图像分析的并存因素，这些因素包括：② 确定定位的CBGA钎料球的共面性是否保持不变。④ 在再流焊接过程中BGA封装是否出现某些方式的物理变形。红外热敏成像是利用光学和红外（IR）探测器给出靶面的红外热辐射的图像。它常用于失效定位和模式判定，可进行：温度过高、过低部位的焊点往往是开路或虚焊。不同样本的热性能比较如图16所示。声频显微扫描检测技术（SAM），也称声频扫描X射线断层法（SAT），是一种非破坏性故障分析工具。这种方法使用声波来扫描组装的内层。通常在半导体封装领域将其用来探测内部脱层或位于电子组装内的孔洞。这种测试方法可以找到脱层的位置和BGA封装内的孔洞位置。在使用底层填充料的情况下，在将BGA黏附到基板后，它还可以探测出底层填料中异常现象的位置。脱层和孔洞探测的分辨能力取决于用于分析的声频。分辨能力将随着频率的上升而提高。230MHz的转换器可使探测分辨率降到约25μm；而为了穿透较厚或损耗较大的材料，则需要较低的频率。穿透性强烈程度依赖于特定材料。例如，在任何频率上，结晶材料通常对超声波几乎是透明的，随后是陶瓷、玻璃、金属，而对聚合物则几乎全被吸收。对某个点的观察被定义为SAM，线扫描被定义为b-SAM，而面积扫描则被定义为C-SAM。图17所示是倒装芯片组装中底层填料中的孔洞位置声频显微扫描检测。超声波能很好地透过电子元器件封装用的大多数固体材料。由于空气不是超声波能量的良导体，所以能量传送需将检验的样品置于水中来完成。超声波传感器的透镜部分也需浸没在流体中，以便进行SAM分析。这种方法探测不出孔洞或脱层中进的水。C型扫描声学显微镜（C-SAM）主要用在反射（脉冲回波）工作方式，在样品内的特定深度层上形成样品图像。聚焦的超声波传感器交替将脉冲发送进入样品内部的不连续处，并接收从该处反射的回波脉冲。回波在具有不同弹性的两种材料之间的界面上形成。回波依据样品中反射特性的深度在时间上被分开。电子门用于对一部分回波信号“开窗口”，以利选择特定深度范围进行观察。速度极高的机械系统使传感器对样品扫描并逐点收集数据。以数字方式由数据点收集构成输出图像。C型扫描声学显微镜图像的产生通常只需几十分之一秒，因此在需要进行逐层分析的解析研究中优先采用。（1）扫描电镜SEM。如图17所示，电子枪发射的电子束经透镜和物镜的缩小和聚焦后，以较小的直径、较高的能量和强度到达试样的表面。在扫描线圈的偏转作用下，电子束以一定时间和空间顺序在试样表面作逐点式扫描运动。入射电子在样品表面互相作用，产生背散电子和二次发射电子。只要样品表面发射两种电子的一种，即可得到电子扫描的图像，如图18所示。（2）能谱分析（EDX）。能量弥散分光仪的框图如图19所示。样品和检测器均放在扫描电子显微镜检测室内（处于真空中）。EDX分析最终输出的图像如图20所示。内窥镜（内表面检查仪）是一种光学检验方法，如德国ERSA公司的ERSASCOPY-30000（见图21）。这种方法可对很小的狭窄区域内的极小物体实施视觉检验。这种技术已被应用于BGA焊点的检验。可对BGA焊点的各种不同的关键因素进行检验分析，如：这种技术最适用于检验如图22所示的外面一列的BGA焊点。还可将这种技术用于查找开裂的周边互连（焊点）。使用一个限制扭矩的起子施加很小的力，就可将开裂表面分离。这种技术可使工程技术人员以非破坏性方式，确定连接是否出现如图23所示那样的开路。还可确定开路是否是由于焊盘抬起、界面开裂或钎料疲劳失效而造成的。在探测焊点开裂、润湿及封装脱层等缺陷时，可使用着色探伤法。这种方法是将样品浸渍于低黏度的液体染料中，液体染料可渗透于任意一个裂缝、脱层区域或开口孔洞中。然后对样品进行剖面观察，并检查焊点中或材料界面的着色情况。随后可使BGA机械地脱离PCB焊盘。在焊盘上存有染料说明焊盘的润湿不良，并可用来评估未润湿的焊盘比例（见图24～图27）。如果在推断故障的原因中，采用非破坏性方法查不出产生异常现象的原因时，就有必要采用破坏性方法来筛选有问题的区域。这种方法就是断层，即将器件、基板和焊点切开并磨光后，观察其横切面。一旦查找出故障的原因，就可利用所获得的信息，来采取妥当措施以防止这类问题再次发生。（1）第一步：查找和“准确猜测”需要检查的位置或区域。如果认为不止一个区域有问题，那么，就需确定是否能够逐一探测到同一个器件上的这些区域。如果探测不到，那么，就应根据查找出问题的可能性或需分析两个以上的器件，对这些区域按优先序排列。（2）第二步：如果有问题的区域是较大组装件的一部分，就需要从较大的组装件上将这部分切下来，并分隔成几个小的易于控制的部分。应注意的是，在切割过程中应保证样品状态未改变或被毁。对于重要剖面，需将样品放在树脂中进行模压来减轻在断层过程中对样品切割造成的破坏。如果需要对重点区域进行精细抛光，那么，需对剖面的样品在距重点区域的界面留有一定的距离，以便为该界面的精细抛光留出足够的空间。（1）试验要点。温度循环的最高温度必须比PCB的Tg值低25℃。当温度循环的最低温度低于-20℃或最高温度高于110℃时，可能导致焊点有多于一种失效机理。这些失效机理会相互作用导致早期失效。另外，由于不同的失效机理同时作用，该环境条件下的实验数据处理必须考虑实际的情况。在温度循环过程中，必须保证温度变化速率较小，以防止温度冲击。一般要小于20℃/min。（2）和温度冲击试验的区别。温度冲击即热冲击，一般在组件经历快速温度变化而导致器件或组件内瞬态温度梯度、热变形和应力，其温度变化速率要大于20℃/min。（3）功率循环。对于器件，由于关闭/开启，功率循环比温度循环更精确地代表实际使用环境。（1）温度循环试验曲线。温度循环试验曲线如图32所示。温度循环范围：温度循环过程中的最高温度和最低温度之差。样品温度Ts：在温度循环过程中，样品的实际温度一般通过安装在样品表面或内部的热电偶或其他仪器测得。浸泡时间td：样品在试验过程中达到表中所示的最高温度或最低温度范围所停留的时间。温度变化率：样品每分钟的温度变化（增加或减小）的速率，温度变化斜率应该在温度曲线的线性部分计算，通常是实际测试环境的10%或90%左右。（2）试验温度类型及参数。试验温度类型及参数选择可参考表3进行。
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