1.2.5 可靠性试验中的焊点强度检测技术

为了表征焊点在可靠性试验前后的变化，以及准确地判断焊点的失效状况，需要对焊点的某些特征参数进行必要的检测，如焊点的力学性能、金相组织、空洞结构等。本小节只介绍焊点的力学性能的测试，其余部分会在“焊点的失效分析技术”部分介绍。

1.BGA球剪切强度测试

随着电子产品的小型化以及多功能化，SMT工艺中用到越来越多的球栅阵列（BGA）封装的芯片，这些芯片的引脚就是一个个的焊料球，焊料球置入的工艺质量决定了焊料球的强度以及可靠性。越来越多的SMT质量案例与BGA封装时置球的质量有关，好不容易将BGA焊到PCB的焊盘上，结果却发现元器件端的焊料球与元器件本体开裂，而仔细检查这种开裂却与工艺条件无关。显然，这是一起BGA置球不良的质量问题。为了分析这类问题产生的原因或防止类似问题发生，常常是在BGA置球以后或SMT使用前对BGA置球的强度进行检测，具体方法可参考JEDEC的标准JESD22-B117（BGA Ball Shear）。常用的测试仪器是Dage公司的DAGE 4000系列测试仪，该仪器还可以测试绑定金丝或铝丝的键合强度。BGA球剪切强度测试示意图见图1.23，剪切方向垂直于置球方向，推杆（或撞锤）距离元器件基板的高度要大于50μm或小于球高度的25%，撞锤的宽度与球的直径大小相当；推杆的移动速度约为100μm/s。试验后要对所获得的数据进行分析，凡是量值小于平均值加三个标准偏差以下的或其他异常结果都应该仔细分析，并考虑拒收或不予使用。同时还要关注剪切强度测试后的焊点的破坏界面，也就是破坏模式。

2.焊点剪切强度测试

对于使用SMT安装的PCBA上的焊点，大多数是没有引脚的，或者引脚非常短，这些焊点的强度通常只能测试其剪切力或剪切强度，而没有办法通过拉伸来测量其拉伸强度。当焊盘的大小一致或可以比较的时候，通常只测焊点的剪切力，并分析力的分布和合格与否就可以了。相对于BGA的焊料球而言，由于元器件的体积都比较大，使用普通的拉力机就可以测试，只是需要根据元器件的大小选择规格合适的测试夹具（撞锤或推杆），见图1.24。推剪的速度一般为50mm/min，最好使用计算机将整个剪切测试的过程记录下来，得到剪切力与时间的变化关系，其中焊点破坏时的峰值即为最大剪切力。

特别需要注意的是，不能仅仅记录剪切力，更需要观察焊点破坏的失效界面。这对解释剪切强度的测试结果非常有帮助。对于一个焊点而言，至少存在三个界面，即焊料/焊盘、焊盘/PCB基材、元器件端子/焊料，剪切试验中焊点破坏一般从最薄弱的环节开始，有时甚至从三个界面之外的焊料中间破坏，偶尔也有元器件端子断裂的。不同失效界面代表不同的机理，如果破裂在焊料/焊盘，则说明此处最薄弱；如果剪切力异常小，则说明该PCB存在质量问题，与焊接工艺无关；如果焊料本身中间破裂，剪切力特别小，则应该是焊点存在冷焊，这时应检查工艺参数。具体的试验方法可参见日本工业标准JIS Z 3198-5 （Test methods for lead-free solders-Part 5：Methods for tensile tests and shear tests on solder joints）。

如何来判断一个无铅焊点的剪切试验结果合格与否呢？一是先与有铅工艺的焊点比较，如果力值大则合格；二是看其分布，力值小于三个标准偏差加均值的，异常小的视为不合格；三是看破裂失效界面，如果是元器件或PCB本身部分破裂，则焊点合格。如果没有一定的数据积累，则不可能设定一个合格的绝对值的标准。只有经过大量的试验，才可能给出一个标准合格值。一般1210元器件的无铅焊点的剪切力为20～30N。

3.焊点抗拉强度测试

对于通孔安装（THT）的焊点，以及SMT安装的有引脚的焊点，如QFP翼型脚焊点，其抗拉强度只能用拉的方式来测试。抗拉强度也可参考式（1.2）来计算，只不过需要将其中的剪切力F换成拉力F。对于THT安装的元器件，只需要顺着元器件引脚的方向拉伸，并记录焊点断裂时的最大值就可以了，拉伸速度一般为50mm/min。而对于翼型脚的焊点，则需要旋转45°角后拉伸，如图1.25所示。此外，与剪切力测试一样，需要关注焊点的破坏模式。力值的大小及合格与否也参考上一部分来分析。测试的详细步骤可参考日本标准JIS Z 3198-6（Test methods for lead-free solders-Part 6：Methods for 45° pull tests of solder joints on QFP lead）。需要提醒的是，由于翼型脚的间距相当小且应力集中在引脚上，所以一般选取从元器件的第一个引脚开始，每排焊点选取头部和尾部的各两个引脚进行测试，这样一个QFP器件一般一共需要测试16个焊点。

4.无铅焊点可靠性试验的方案设计

前面已经讨论了许多适用于焊点可靠性试验方法和检测方法，但是如何安排这些可靠性试验呢？哪些项目需要做？做到什么程度？需要多少样品？这些问题其实就是如何进行焊点的可靠性试验方案的设计了。

可靠性试验方案是对目标样品或工艺进行考察的总的试验计划和要求。设计时，首先必须根据设备或焊点所处的阶段和试验目的，如处于研制阶段，希望通过可靠性试验来暴露焊点设计的薄弱环节，以便采取改进措施，提高焊点的固有可靠性水平，就应该选择增长试验方案；如果是设备或焊点设计定型、生产定型或重大技术改进后的鉴定，就必须选择鉴定试验方案。显然，由有铅工艺转换成无铅工艺应该是涉及重大的技术改进，这时更多采用鉴定试验方案，而且是主要针对工艺的改动而进行的工艺鉴定试验。由于寿命评价试验与失效率指标的鉴定试验耗时太长以及成本过高，对于一般企业而言是难以承受的，因此，业界更多采用的是简化的鉴定试验方案。

无论如何，可靠性试验方案的设定必须首先考虑产品的可靠性水平，可靠性水平高的产品的焊点，试验的条件或使用的应力水平以及时间都相应地增加或延长；如果相反，则相应地减少试验时间以及应力水平。同时必须首先进行工艺的优化，并进行适当的老化处理，或者经过适当的环境应力筛选以确保没有早期失效产品，然后再根据抽样理论进行抽样。方案设计的时候，还必须考虑将来产品的使用环境以及可能遇到的环境应力，尽可能模拟实际的试验环境来选择试验项目或方案。并且需要根据目前的业界普遍遵守的国际标准来定义试验过程中的失效判据，即失效标准，而且这些标准中的参数最好在试验的整个过程中能够测量。此外，试验的样品应该能够代表该批次或该生产线生产的产品的可靠性水平。

下面举两个工艺可靠性鉴定的例子以供参考，它们分别是不同可靠性要求的产品代表，一个是可靠性要求较低的鼠标和键盘（见表1.10），另一个是可靠性要求相对较高的计算机主板（见表1.11与图1.26、图1.27）。其中计算机主板的工艺可靠性鉴定分为三个阶段，每个阶段鉴定的结果满意后再进入下一个阶段，直至通过所有的可靠性鉴定，才开始按照最佳的工艺条件和设计进行量产，接下来主要的工作就是确保原材料的一致性和工艺的稳定性了。