（1.日东电子科技（深圳）有限公司，广东深圳5181032.哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150001）
摘要：介绍了SMT焊点质量常用检测方法，包括外观到内部组织机构、从电性能到机械性能等各项检测的原理和应用范围，并分析了在工艺、制造和使用过程中出现的各种焊点失效机理，并从焊点稽核结构设计、钎料性质及材料热匹配等方面提出了降低失效率、提高焊点可靠性的途径。
关键词：表面组装技术，焊点质量，检测，可靠性，热循环，SMT
中国分类号：TN606文献标识码：A文章标号：1004-4507（2005）09-0026-08
为确保电子产品质量稳定性和可靠性，或对失效产品进行分析诊断，一般需进行必要的焊点质量检测。SMT中焊点质量检测方法很多，应该根据不同元器件、不同检测项目等选择不同的检测方法。
1焊点质量检测方法
焊点质量常用检测方法有非破坏性、破坏性和环境检测3种，见表1所示。
1.1目视检测
目视检测时最常用的一种非破坏性检测方法，可用万能投影仪或10倍放大镜进行检测。检测速度和精度与检测人员能力有关，评价可按照以下基准进行：
（1）湿润状态
钎料完全覆盖焊盘及引线的钎焊部位，接触角最好小于20°，通常以小于30°为标准，最大不超过60°。
(2)焊点外观
钎料流动性好，表面完整且平滑光亮，无针孔、砂粒、裂纹、桥连和拉尖等微小缺陷。
(3)钎料量
钎焊引线时，钎料轮廓薄且引线轮廓明显可见。
1.2电气检测
电气检测是产品在加载条件下通电，以检测是否满足所要求的规范。它能有效地查出目视检测所不能发现的微小裂纹和桥连等。检测时可使用各种电气测量仪，检测导通不良及在钎焊过程中引起的元器件热损坏。前者是由微小裂纹、极细丝的锡蚀和松香粘附等引起，后者是由于过热使元器件失效或助焊剂分解气体引起元器件的腐蚀和变质等。
1.3X-ray检测
X-ray检测是利用X射线可穿透物质并在物质中有衰减的特性来发现缺陷，主要检测焊点内部缺陷，如BGA、CSP和FC焊点等。目前X射线设备的X光束斑一般在1-5μm范围内，不能用来检测亚微米范围内的焊点微小开裂。
1.4超声波检测
超声波检测利用超声波束能透入金属材料的深处，由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检测焊点的缺陷。来自焊点表面的超声波进入金属内部，遇到缺陷及焊点底部时就会发生反射现象，将反射波束收集到荧光屏上形成脉冲波形，根据波形的特点来判断缺陷的位置、大小和性质。超声波检验具有灵敏度高、操作方便、检验速度快、成本低、对人体无害等优点，但是对缺陷进行定性和定量判定尚存在困难。扫描超声波显微镜(C-SAM)主要利用高频超声(一般为100MHz以上)在材料不连续的地方界面上反射产生的位相及振幅变化来成像，是用来检测元器件内部的分层、空洞和裂纹等一种有效方法。采用微声像技术，通过超声换能器把超声脉冲发射到元件封装中，在表面和底板这一深度范围内，超声反馈回波信号以稍微不同的时间间隔到达转化器，经过处理就得到可视的内部图像，再通过选通回波信号，将成像限制在检测区域，得到缺陷图。一般采用频率从100MHz到230MHz，最高可达300MHz，检测分辨率也相应提高。
1.5机械性破坏检测
机械性破坏检测是将焊点进行机械性破坏，从它的强度和断裂面来检查缺陷的。常用的评价指标有拉伸强度、剥离强度和剪切强度。因为对所有的产品进行检测是不可能的，所以只能进行适量的抽检。
l.6显微组织检测
显微组织检测是将焊点切片、研磨、抛光后用显微镜来观察其界面，是一种发现钎料杂质、熔蚀、组织结构、合金层及微小裂纹的有效方法。焊点裂纹一般呈中心对称分布，因而应尽量可能沿对角线方向制样。显微组织检测和机械性破坏检测一样，不可能对所有的成品进行检测，只能进行适量的抽检。光学显微镜是最常用的一种检测仪器，放大倍数一般达1000倍，可以直观的反映材料样品组织形态，但分辨率较低，约20nm。
1.7其它几种检测方法
染色试验荧光渗透剂检测是利用紫外线照射某些荧光物质产生荧光的特性来检测焊点表面缺陷的方法。检验时先在试件上涂上渗透性很强的荧光油液，停留5-10min，然后除净表面多余的荧光液，这样只有在缺陷里存在荧光液。接着在焊点表面撒一层氧化镁粉末，振动数下，在缺陷处的氧化镁被荧光油液渗透，并有一部分渗入缺陷内腔，然后把多余的粉末吹掉。在暗室里用紫外线照射，留在缺陷处的荧光物质就会发出照亮的荧光，显示出缺陷。磁粉检测是利用磁粉检测漏磁的方法，检测时利用一种含有细磁粉的薄膜胶片，记录钎焊焊点中的质量变化情况。使用后的几分钟内，胶片凝固并把磁粉"凝结"在一定的位置上，就可以观察被检测试件上的磁粉分布图形，确定是否有缺陷。由于大多数钎料是非磁性的，因此不常用于钎焊焊点的检验。
化学分析方法可测量样品的平均成分，并能达到很高精度，但不能给出元素分布情况。
染色与渗透检测技术(D&PT)是通过高渗透性高着色性染料渗透到焊点开裂区域，然后拉开焊点，观测焊点内部开裂程度和分布。试验时必须小心控制拉断器件时的外力，以保证焊点继续沿预开裂区域断开。X-ray衍射(XRD)是通过X-ray在晶体中的衍射现象来分析晶体结构、晶格参数、缺陷、不同结构相的含量及内应力的方法，它是建立在一定晶格结构模型基础上的间接方法。
电子显微镜(EM)是用高能电子束做光源，用磁场作透镜制作的电子光学仪器，主要包括扫描电子显微镜(SEM)，透射电子显微镜(TEM)，电子探针显微镜(EPMA)和扫描透射电子显微镜(STEM)。其中SEM用来观察样品表面形貌，TEM用来观察样品内部组织形态和结构，EPMA用来确定样品微观区域化学成分，STEM具有SEM和TEM的双层功能。
此外，红外热相(IRTI)分析、激光全息照相法和实时射线照相法等也可用于焊点质量检测。表2为不同分析项目的一些主要分析方法。
2加载检测及可靠性评价
产品失效主要原因包括温度、湿度、振动和灰尘等，各占比例为55％、19％、20％和6％。加载检测是每一个部件在实用条件下进行加载以检测其动作状况，方法有振动检测、冲击检测、热循环检测、加速度检测和耐压检测等，一般根据实用条件把它们组合起来进行，且要求对每一个成品进行检测。这种方法最为严格，可靠性高，只有航天产品等可靠性要求特别严格的情形下才予以采用。
近年来国际上采用一种全新的焊点可靠性评估方法，即等温加速扭转循环法(MDS)，通过在一定温度下周期扭转整个印刷电路板来考察焊点的可靠性。该方法在焊点内产生的应力以剪切应力为主，和温度循环相似，因而失效模式和机理极为相似，但试验周期却可从温度循环的几个月减少到几天。该方法不但可以用来快速评估焊点可靠性，同时也可以用来进行快速设计和工艺参数优化。
可靠性评价分类见表3。迁移是金属材料在环境下化学反应形成的表面侵蚀现象，其生长过程分为阳极溶解、离子迁移和阴极还原，即金属电极正极溶解、移动，在负极析出导致短路。迁移的发生形态常称为Dendrite和CAF(见图1)。Dendrite指迁移使金属在PCB的绝缘部表面析出，或者是形成树枝状的氧化物；CAF指金属顺着印制板内部的玻璃纤维析出，或者使氧化物作纤维状的延伸。
金属离子的指标可用标准电极电位Eo来表示，其中Sn比Pb和Cu稳定，能形成保护性高的纯态氧化膜，抑制阳极溶解。电极电位的大小不仅取决于电对的本性，还与参加电极反应的各种物质的浓度有关。对于大多数电对来说，因为H＋(或OH-)直接参与了电极反应，因此电极电位还与pH值有关：pH值越高，电极电位越小。另外，助焊剂残留如果不清洗干净，一些腐蚀性、活性元素(如Cl)会使电迁移更强，影响电路可靠性。所以，目前常用免清洗助焊剂严格控制其活性和组份。
3热循环加速试验
热循环失效是指焊点在热循环或功率循环过程中，由于芯片载体材料和基本材料存在明显的热膨胀系数(CTE)差异所导致的蠕变-疲劳失效。通常SMT中芯片载体材料为陶瓷(A12O3)，CTE为6.0×10-6/℃，基板材料为环氧树脂／玻璃纤维复合板(FR4)，CTE为20.0×10-6/℃，二者相差3倍以上。当环境温度发生变化或元件本身通电发热时，由于二者间CTE差异，在焊点内部就产生周期性变化的应力应变过程，从而导致焊点的失效。
IPC-970l标准化了五种试验条件下的热循环试验方法，从良性的TCl参考循环条件到恶劣的TC4条件，符合合格要求的热循环数(NTC)从NTC-A变化到NTC-E(见表4)。
失效循环次数可用一个简单修正的Coffin-Manson数模来预测，并可以加速获得热循环测试结果。Coffin-Manson数模是关于热应力引起的低循环疲劳对微电路和半导体封装可靠性影响进行建模的有效方法，表达式为：
其中：Nf为疲劳失效循环数，A为常数，εp为每个循环的应变范围，f为循环频率，K为波尔兹曼常数(eV)，Tmax为最高循环温度(K)。
IPC-9701使用Engelmaier-Wild焊点失效模型来评估加速因子AF(循环数)和AF(时间)。AF(循环数)与焊点的循环疲劳寿命有关，是在给定使用环境中产品寿命的试验中获得，可表示为：
其中：AF为加速因子，Nfield为现场循环数，Nlab为试验循环数，ffield为现场循环频率，flab为试验循环频率，△Tfield为现场温度变化，△Tlab为试验温度变化，Tfield-max为现场最高温度，Tlab-max为试验最高温度。
AF(时间)与焊点失效的时间有关，是在给定的使用环境中产品寿命的试验中获得，可表示为：
设计试验时，在芯片和PCB内引入菊花链结构使得组装后的焊点形成网络，通过检测网络通断来判断焊点是否失效。一般需要采用高速连续方案，在纳秒级内连续高速采样，以保证及时准确探测到焊点的开裂。评价时常根据某一恒定的金属界面上电位降或电阻变化来判断焊点的质量，一般电阻增加150-225Ω·ms，就可判断为电性能失效，测得的电阻值超过阀值电阻1000Ω，就认为是开路。
注意的是，相同高温温差引起的损坏程度比低温要大，高温变率条件下失效循环次数比低温变率条件下失效循环次数要低，这对其它温度范围和温变率的预测提供了更保守的失效周期，起到加速试验的效果。但在快速温变条件下如果改变了失效机理，焊点特征值的变化就不可能真实地反应大多数现场应用情况。此外，RezaGhaffarian还发现失效应力条件可从全局转变为局部，比如小型化封装易出现从焊接接合点到封装组装一侧的失效转移，这就要求建立正确的的失效模型，否则会导致错误的失效循环次数预测结果。
一般规定热循环可接受指标为：-40～125℃，800-1000次循环未失效即可。这些基于和实际现场使用条件相应的模拟结果的指标有很大的安全余量，对于大多数产品来讲，300次循环就已足够。