随着现在科学技术的发展，各种高精度现代智能电子设备的应用领域更加广泛，包括各种类型十分恶劣的环境，这其中很多环境都对电子产品的的整体质量与可靠性提出了更高的要求［1－3］。

表面贴装技术 SMT( Surface Mount Technology) 作为第 4 代封装技术［1］被誉为 90 年代世界十大新技术之一，以其成本低、集成度高、电子组件重量轻、易于自动化等优点广泛应用于微电子电路，但是SMT 的缺点是焊点寿命有限，可靠性较差。在表面贴装过程中，元器件( Components) 与印刷电路板PCB( Printed Circuit Board) 刚性连接形成组件。组件服役时由于热循环、振动和冲击等外界环境因素的影响，焊点内部不可避免地会产生交变的弹性应变、塑性应变乃至蠕变，这些应变的反复累积极易导致焊点的疲劳失效［3］。大量研究实验表明在电子封装过程中焊点连接是非常重要的，许多人认为电子设备的可靠性常归根于焊点的可靠性，也有人认为随着焊点尺寸的越来越小，焊点成为最弱的连接环节，必须进行仔细研究设计以防疲劳失效［4－6］。

20 世纪 60 年代末期和 70 年代早期 IBM  和Bell 实验室的大量疲劳分析研究表明电子工业中焊点失效的主要原因是低周热疲劳［7－10］，图 1 为根据U．S． Air Force Avionics Integrity Program 的统计数据所列出的影响电子设备可靠性的主要环境因素，由 此可以看出温度是造成电子失效的最主要的因素， 研究温度对封装焊点的影响也尤为重要。

图1  电子失效的主要因素

1、热应力失效

目前IC 封装概念已由器件封装扩展电子封装， 即包括从芯片封装至元器件组装到印刷电路板上的全过程，电子封装发展总的原则是，在保证可靠性的 前提下提高传输速度、提高功率、提高散热能力、增加 输入/ 输出端口数、减小封装器件尺寸、降低生产成本;按封装和芯片的关系，电子封装可分为一级封装、二级封装、高密度封装及芯片直接贴装等形式［11－14］。

电子封装器件在服役过程中，电路的周期性通断 和环境温度的周期性变化 使焊点经受温度循环作用，由于各材料间的热膨胀失配，如芯片载体材料Al  O   陶瓷的热膨胀系数(CTE) 约为 6．0×10^－6 / ℃ ，基板材料环氧树脂/ 玻璃FＲ4 的CTE 约为 15×10^－6 / ℃，焊点内将产生周期性的应力应变过程，导致焊点中裂纹的萌生和扩展，最终致使焊点失效。图 2 所示为由于芯片、焊点、基板的热膨胀系数不匹配而使焊点在热循环过程中产生剪切应变^{［14－16］}。

图 2 由于芯片 焊点 基板的 CTE 不匹配焊点在热循环

经过许多学者、研究机构的进一步研究，至今普 遍认为，焊点在热循环条件下的失效机制是蠕变、疲 劳的交互作用，焊点的失效断口既有疲劳断裂特征的 疲劳辉纹，又具有蠕变断裂特征的沿晶裂纹。对比了PBGA 在两种温度循环条件下失效机制后发现，不同的温度循环条件下的失效机制也不同。最后认为在 慢速升降温的条件下，系统有足够的时间达到均一的 温度，失效表现为整体失效，而在快速升降温的条件 下则表现为局部失配，大量研究也发现，同样是加速试验，－40℃ ～ 125℃比0～100℃加速快了3.5倍，并且发现了温度循环对焊点微结构的影响，由于 BGA 焊点和PCB 之间的材料热膨胀系数较难匹配，这使得低周热疲劳成为焊点失效的最主要的原因^{［17－18］}。也由于此，以往国内外大部分学者对焊点失效研究都 集中在热循环可靠性和热冲击试验及理论分析上。

1 实验

1.1 低周热对比实验

针对温度循环对 PCB 引脚焊点的影响，设置如下实验，在研究中，OSP / Cu 的 FＲ4 基板通过表面贴装技术(SMT)被用于不同的元件贴装。TSOP 小间距焊点是很薄弱的连接单元，它将作为我们的研究重点。TSOP 主体有 17  mm 长，12  mm 宽，1  mm 厚，有48 个引脚，相邻的两个引脚间距有 0.5  mm引脚的材料是FeNi42 合金，引脚表面涂层是厚度为 0．02 mm的Sn₄Bi。贴装好后要在生产线进行功能测试，共取40 个通过功能测试的印制电路板( PCBA) 作为研究对象。用拉拔TSOP 引脚的方法，评估焊点与 PCB 的可靠性。实验过程中，着重观察失效模式、拉拔力、拉拔距离随加速热循环数的变化^［9－12］。

高低温循环测试( ATC) 是在温度循环箱内进行的，实验总共分为实验1 和实验 2，分别采用不同的温度区域进行循环实验。按照 JEDEC 标准 JESD22 － A104C 来执行，实验 1 的温度循环条件是－ 40 ℃ ～ 125 ℃ ，实验 2 的温变是从 0 ～ 100 ℃ ，在温度箱的里面，有 9 个热电偶分别放置在样品上来记录测试时的实际温度曲线，9 个热电偶分别放置在温度箱的 8 个角和温度箱的中间位置。这种温度箱达到的变温效果很好，高低温变化与设定的温度相差不到 10 ℃。每 250 循环做一次功能测试，每个温度循环 60 min。

实验 1 在－40 ℃ 和 125  ℃ 驻留 15  min，升温和降温各占 15 min，实际温度循环曲线如图 3 所示。

实验 2 在每一个温度循环持续 60  min，包括 15 min 驻留在 0 ℃ 和 100 ℃ ，15 min 的升温和降温，如图 3 所示。每 250 个循环做一次功能测试，检测是否有失效，的温度循环条件。温度曲线上下偏差不超过 10 ℃ ，且只在变温与恒温的交界处有部分热电偶有温度波动的现象，可见温度箱实现变温的能力还是很强的，保证了实验数据的有效性。

图3 实验1与实验2温度曲线图

由图 3 可以看出从升温阶段变到恒温阶段时，温度曲线会有波动，但是波动是在允许范围内的，此种温度箱的变温能力较好，从而保证整个测试的正常运行。

为了准确地得到地拉拔力，避免拉拔对相邻引脚的影响，拉拔前先把 TSOP 元件从中间切开，且拉拔时隔一个引脚拉拔一次，因此只拉拔单数引脚 1、3、…、47，如图4 所示。该引脚拉拔是在如图5的实验台进行的。拉拔的速度是 0．5 mm/ min 且通过实验台得到拉拔具体的力与距离的变化图如图6 和图7 所示。

图4  引脚分布图

1.1 实验总结

1.1.1 实验 1 引脚拉拔实验数据总结

实验 1 是温度循环为－ 40 ℃ ～ 125 ℃ ，循环在0、250、750 循环时，分别做了引脚拉拔实验，实验所得的拉拔力和拉开距离及失效模式分别汇总于图 8 和图 9，由表 1 可以清晰的看到在拉拔引脚 1 ～ 47 的最大的拉拔力、最小拉拔力、平均拉拔力、拉拔后的失效模式等。

图5     实验台的建立

图7 在750循环引脚拉拔实验所受应力和被拉拔的距离

实验发现随着加速热循环次数的增多，焊点的拉 拔力逐渐减小，在 0 和 250 循环时，平均拉拔力分别为 13.53 N 和 12.32 N，到 750 循环时，平均拉拔力急剧减小到 3.52 N。焊点受的拉拔力随循环数增加而渐小。分析其原因，经过长期的热循环，焊点发生了 部分开裂，但并没有导致电性失效。焊点部分开裂， 使拉拔过程，在施加很小的力的情况下即发生失效。

引脚拉拔的两种失效模式焊点被拉开和焊盘被拉开如图 10 和图 11 所示。一般的，我们认为在焊点处被拉开是正常的，焊点相对于 PCB 板更加薄弱一些。如果焊盘被拉开就说明 PCB 有问题，需要改善 PCB 的质量。

2．2．2 实验 2 引脚拉拔实验数据总结 

实验 2 温度循环为 0 ～ 100 ℃，引脚拉拔实验分 别在 0、250、750 循环时做的，0 循环时的实验结果 在上节中已经介绍，如表 2 所示。在 250、750 循环 所得的拉拔力和拉开距离及失效模式分别汇总于图12 和图13，由图可以清晰的看到在拉拔引脚 1～47 的最大的拉拔力、最小拉拔力、平均拉拔力、 拉拔后的失效模式等。

实验2 发现随着加速热循环次数的增多，焊点的拉拔力逐渐减小。由实验得知，在0 和250循环时，平均拉拔力分别为 13.53 N 和 13.13 N，到750循环时，平均拉拔力急剧减小到 8．89 N。焊点受的拉 拔力随循环数增加而渐小，分析其原因，经过长期的 热循环，焊点和焊盘发生了部分开裂，但并没有导致 电性失效。焊点部分开裂，使拉拔过程，在施加很小 的力的情况下即发生失效。 2.3 结果与分析 不同温度循环的引脚的拉拔实验，得出两种失 效模式，焊点被拉开和焊盘被拉开两种方式，随着实 验循环数的增加，所用的拉拔力越来越小，且实验1的拉拔力比实验2小，平均拉拔力减小的速率快，可见，温差越大对焊点的影响越大。实验1和2 的平均拉拔力如图14 所示，拉拔力随循环数的增加呈下 降趋势。并且从焊盘被拉开的次数随温度循环次数的变 化中能够看出来，随着温度循环次数的增加，焊盘被拉开的概率也逐渐增大，如图15所示。

3 结论 

通过对两种温度循环进行实验，实验1的－40 ℃ ～ 125 ℃和实验2 的0～100 ℃的对比，用引脚拉拔的方法比较不同温度循环下的失效模式、平均拉拔力、拉拔距离等。实验发现，随着温度循环数的增加，平均拉拔力 减小，且温差越大拉拔力减小的速率越快。焊点受的 拉拔力随循环数增加而渐小，并且从焊盘被拉开的次数随温度循环次数的变化中能够看出来，随着温度循环次数的增加，焊盘被拉开的概率也逐渐增大。分析其原因知道，经过长期的热循环，焊点和焊盘发生了部分开裂，但并没有导致电性失效。焊点部分开裂，使拉拔过程，在施加很小的力的情况下即发生失效。