1 影响焊点可靠性的主要因素
1.1 材料热膨胀系数（CTE）的影响
一般认为，材料热膨胀系数的差异导致了软钎焊接头在温度循环时的力学应变，增大了钎料显微组织结构的局部粗化，导致在弱区和富Pb区出现裂纹的倾向增大。

1.2 焊点内部显微结构的影响
在温度循环中,一种潜在的失效机制是Pb-Sn合金沿着富Pb区和富Sn区界面断裂,尽管软钎焊互连焊点断裂经常是由于热膨胀率不匹配造成,但是PbSn合金微观组织特定的物理特征也与热循环中焊点断裂密切相关,可作为互连质量和温度循环过程中焊点可靠性指标。

1.3 金属间化合物的生长及影响
在钎焊的过程中，内部金属互相混合，逐渐形成一个与钎料主体合金不同的化合物层，这层化合物的硬度和脆性较大，使应力主要集中到钎料和化合物层的界面上，并且这种化合物层的厚度随温度的升高和加热时间的增加而增大。一般认为，脆性金属间化合物的生长对抗疲劳是不利的。

2  试验方案
2.1  SMT焊盘和钎料量的设计
钎料量是主要通过模板的厚度和开孔大小来控制的。本试验对于两类焊点，首先不改变焊盘和引线的尺寸，把钎料量划分为3种，按A、B、C依次增加，D、E、F则改变焊盘的形状和宽度。根据钎料量来设计模板的开孔尺寸。然而，在模板印刷时，刮刀的压力及印刷的速度也会影响钎料的施放量；而且在焊接过程中，非金属部分如钎剂会发生挥发。

2.2 工艺流程图
选用器件为方型扁平封装(QFP)208，有引线塑封芯片载体( PLCC)84，具体印制板组装工艺流程见图1。

2.3 不同焊盘焊接缺陷的分类统计
    以QFP-208为例，不同焊盘、模板厚度的QFP焊接合格率见图2、图3。

以上图是根据IPC-A-610B（电子装配的可接收条件）2级要求为接收条件统计的结果。当模板厚度为0.15 mm时，不同的焊盘和模板开孔尺寸A-F焊后合格率均为100%； 而模板厚度为0.12 mm时，不同的焊盘和模板开孔尺寸A-F焊后合格率，除B和D型外，焊后效果较差。

2.4  温度循环试验的设计
按照美国军标MIL-STD-883E-1010.7.B设定温度曲线如图4所示，即温度范围为-55℃～125 ℃，高低温各保温10 min，升降温时间均为5 min，一个温度循环周期为1 800 s。采用金相分析观察焊点的横截面，如出现裂纹认为焊点失效，并观察焊点的失效模式。进行温度循环测试的器件，从600周开始观察，以后800、1 000、1 200、1 300、1 400、
1 500、1 600周各观察一次，每次取出试样做金相剖面分析，观察裂纹的产生和扩展情况。

3 试验结果及理论分析
鉴于不同的结构参数（焊盘尺寸等）及钎料量（由模板厚度及开孔尺寸控制）会形成不同的焊点形态，而不同的焊点形态其温度循环疲劳寿命也不相同。本试验首先要通过观察分析找到焊点形态与结构参数及钎料量之间的关系，然后再通过温度循环试验得到焊点可靠性与结构参数及钎料量之间的关系，进而找到焊点形态与温度循环疲劳寿命之间的关系。这样就可以通过控制各参数来控制焊点质量的目的。

3.1 温度循环对钎料显微组织的影响(以PLCC元件J形引线为例)
如图5所示，从循环结束时和初始初始状态对比可以发现，由于温度循环和应力应变的共同作用使得焊点的显微组织发生了比较明显的粗化。

应注意到的一点是，如图6所示，同一焊点左右部分粗化程度也有不同。这可能是因为在凝固的过程中，钎料量较大的一侧焊点，冷却的速度较慢，形成较大的一次枝晶，故而组织较为粗大。而且经过温度循环以后靠近引线和焊盘界面局部处的晶粒普遍要比内部的组织粗大一些，这说明应力应变集中可能促进了组织的粗化。

应注意到的一点是，如图6所示，同一焊点左右部分粗化程度也有不同。这可能是因为在凝固的过程中，钎料量较大的一侧焊点，冷却的速度较慢，形成较大的一次枝晶，故而组织较为粗大。而且经过温度循环以后靠近引线和焊盘界面局部处的晶粒普遍要比内部的组织粗大一些，这说明应力应变集中可能促进了组织的粗化。

3.3 不同钎料量PLCC元件J形引线焊点在1 600周温度循环后的裂纹扩展情况
模板厚度为0.15 mm的三种钎料量的焊点温度循环1 600周后，如图8所示，主要的失效部位为焊点的根部钎料与引线的界面处

8模板厚为0.15mm的不同钎料量J形引线焊点1 600周失效部位

由EDX能谱分析可知钎料中的Sn与引线中的Cu发生反应主要生成的金属间化合物为Cu6Sn5，而且从断裂方式上来看，由于金属间化合物本身具有较高的硬度和脆性，在应力作用下不能与钎料基体协调变形，造成金属间化合物和钎料的界面对应力十分敏感，使位错和空位逐渐在钎料内部聚集形成裂纹。另外，普遍认为富铅相的剪切强度较低，因此裂纹主要在靠近引线界面IMC处的富铅相一侧形成并主要沿着靠近IMC界面处的富铅相一侧扩展。

4 结论
(1)钎料量是影响焊点形态的主要因素。焊点钎料量基本可以由模板的开口设计进行控制。
(2)引线和钎料以及钎料和焊盘之间的热膨胀系数局部失配带来的应力应变是造成焊点失效的一个主要来源。
(3)对原始试样和不同热循环周次的试样对比发现，两类焊点的显微组织都不同程度地发生粗化，钎料与焊盘和引线的界面处金属间化合物层逐渐变厚，并伴随有大量连续状的富铅相的存在。
(4)从裂纹开裂的情况可以明显看出，QFP元件L形引线焊点的热循环疲劳寿命普遍高于PLCC元件J形引线焊点的热疲劳寿命。

参考文献
[1] 杜则裕. 焊接工艺与失效分析［M］. 北京：机械工业出版社，1989.
[2] 李坤兰. 几种电子元器件长期储存的失效模式和失效机理[J]. 电子产品可靠性与环
境试验. 2000年12月，第6期:30～33.
[3] 丁颖、王春青. PCB焊点可靠性问题的理论和实验研究进展[J]. 电子工艺技术. 2001,
2(6):231～237.

作者简介：黄萍（1955-），女，高级工程师，1976年毕业于厦门大学，现在中国工程物理研究院，电子工程研究所，从事工艺技术工作。