无铅可靠性－讲稿

1 无铅组装的可靠性与失效分析 蔡坚 清华大学 jamescai@tsinghua.edu.cn 纲要 „ 可靠性基础知识 „ 失效分析基础 „ 可靠性试验方法 „ 电子组装焊点失效分析程序 „ 失效分析案例 可靠性基础 Reliability is possibility! 2 可靠性基本概念 “可靠性”定义： 产品在规定条件下、规定时间内完成规定功能的 能力。 “规定条件”：环境、负荷、工作方式、使用方法。 环境：温度、湿度、气氛、粒子、 机械运动…… “规定时间”：贮存时间和使用时间。 实际上也是 “规定条件”。 “完成规定功能”：规定的“全部”功能。 失效：产品失去规定的功能。 可靠性和失效的数学定量描述： 可靠度：R（t） 产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能 的概率： T：产品寿命，N：产品总数，且足够大。 n（t）：从开始工作到t时刻的累积失效数。 ( ) ( ) ( ) N tnNtTPtR −≈≥= 失效分布函数=累积失效概率：F（t） 产品在规定的时间t以前累积失效的概率： 1 10 =+ →≈<= ）（）（ ）（）（）（）（ tFtR N tntTPtF 3 失效密度函数 f(t) 失效时间在理论上的分布。 ∫=−= −== t dttftRtF dt tdR dt tdFtf 0 1 ）（）（）（ ）（）（）（ f(t)、F(t)和R(t)的关系 失效率λ(t)及其单位 Fit 产品工作到t时刻后，在单位时间内失效的概率。 失效率＝失效率函数 N为产品的总数，且足够大； n(t)为N个产品从开始工作到t时刻的累积失效 数。 ttnN tn ttnN tnttnt Δ− Δ=Δ− −Δ+= ][][ ）（ ）（ ）（ ）（）（）（λ 4 失效分布函数 F(t)、失效密度函数 f(t）与λ(t）的关 系： 若λ(t)= λ ≈常数,则 R(t)=e- λ,失效率愈低,可靠性愈高 f(t) ≈ λe- λ, F(t) ≈ 1-e λ. ∫−= −=≈ t dtttR tF tf tR tft 0 ]exp[ 1 ）（）（ ）（ ）（ ）（ ）（）（ λ λ 失效率单位为 % /（103小时），即 每工作1000小时后产品失效的百分数。 非特（Fit）： 适用于半导体器件等高可靠性器件。 1 Fit=1×10-9/h=1×10-6/1000h 典型的失效率曲线 5 Δ早期失效期：λ(t)大、随时间迅速下降， 通过改进设计、加强监控，可减小早期失效。 通过筛选，可减小（缩短或去掉）早期失效期。 Δ偶然失效期：λ(t)低，且为常数， 时间较长（半导体器件）， 失效带有偶然性，是使用的良好时期。 Δ耗损失效期： 产品使用后期，失效率λ(t) 随时间迅速增加。 因磨损、老化、疲劳等使器件失效。 产品的寿命 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征 产品寿命：不可修复的产品是“产品失效 前的工作时间或工作次数”，或“无故障 工作时间”。 产品寿命往往研究的是某一批或某 一类产品的“总体寿命”。所以在数学上 常用的是平均寿命、中位寿命、特征寿 命。 Δ平均寿命 ： 某批产品寿命的算术平均值。 MTTF（Mean Time To Failure），失效前平均工 作时间：对于不可修复产品，其失效前工作或贮存的 平均时间。 MTBF（Mean Time Between Failures），平均无 故障工作时间(对于可修复装置)：对于可修复产品，为 两次相邻失效间的平均工作时间，即平均无故障工作 时间。 Δ中位寿命 t0.5 ： 某批产品工作到刚好一半数量失效时的工作时间。 R( t0.5 )=F( t0.5 )=50% t 6 常用的失效分布 1） Weibull（威布尔）分布 2） 正态分布 3） 指数分布 4） 对数正态分布 Weibull（威布尔）分布 m为形状参数, γ为位置参 数, t0为尺度参数。 ( ) ( ) ( ) 01 0 t mt m et t mtf γγ −−−−= 0/1 tmtetF ）（）（ γ−−−= 正态分布（高斯分布、误差分布） σ为正态分布的标 准差; μ为正态分布 的均值。 ( ) ( )2 2 2 2 1 σ μ πσ − = t etf dtetF t t 2 2 2 2 1 σ μ πσ ）（ ）（ −− ∞−∫= 7 可靠性试验方法 可靠性试验加载方式 „ 循环载荷 ‰ 热机械－－低周疲劳 ‰ 循环弯曲、震动－－高周疲劳 „ 动态机械载荷 ‰ 跌落、弯曲、剪切、拉伸、冲击 „ 电化学 ‰ 温度、湿度、电压 手持电子产品的可靠性要求 „ 动态机械可靠性 ‰ 动态机械载荷 „ 便携⇒跌落危险↑ „ 新功能（游戏、短信）⇒键盘、按键的疲劳和弯曲 „ 重量减轻⇒紧凑包封⇒机械保护↓ „ 叠层封装⇒封装体质量↑ „ 小型化⇒互连尺度↓⇒危险性↑ ‰ 动态机械载荷下的可靠性更为重要 „ 跌落、拉伸、剪切、弯曲、冲击和振动 „ 焊点： ‰ 脆性断裂－－对应力集中更为敏感 ‰ 影响因素：金属间化合物（IMC）、润湿性、… „ PCB: 绝缘层/铜线裂开 „ 封装:焊球、焊点大小 8 加速试验方法 „ 热循环/冲击（Thermal Cycling/Shock） „ 跌落与机械冲击（Drop & Mechanical shock） „ 温湿度（Temperature & Humidity） „ 弯曲（Bending） „ 振动（Vibration） „ 拉伸/剪切（Pull/Shear） „ 互连应力测试（IST） „ 表面阻抗（SIR） 试验方法 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 „ IPC „ JEDEC 热循环 9 疲劳寿命估算 10 失效分析基础 主要失效机理 失效模式和失效机理 失效模式： 是指失效的形式，如开路、短路、漏 气等。 机械失效：疲劳、过载 电化学失效：腐蚀、电迁移 失效机理： 是指造成器件失效的原因。 失效机理分类： （1）过应力和耗损两类： 过应力失效： 通常是瞬时的、突然发生的失效。 耗（磨）损失效： 因磨损、老化 、疲 劳等长时间的损耗积 累，引起产品性能逐渐下降后失效。 11 （2）根据诱发失效机理的应力类型可分为： 机械的、热学的、电学的、辐射的、化学的等。 机械应力： 包括机械冲击、振动引起的惯性力和内应力， 使材料和结构发生形变、蠕变、疲劳、脱层、断 裂等。 热应力： 封装结构中各相邻材料膨胀系数CTE不匹配， 在T和ΔT作用下产生的局部应力。热应力会导致 封装材料的尺寸变化和物理特征变化（尤其是塑 料）。 两种热应力： 外部环境热应力：器件制造时，器件贮存、使 用时外部环境施予器件。 内部热应力：器件使用、老炼时加电后器件发 热引起的应力。 电应力： 不良电源供电引起电过载和电源通/断引起电 －热应力循环。 输入电流、电压过载，输出电流过载； 静电放电（ESD）损伤，造成过压击穿，过 流或过功率烧毁。 过压造成：绝缘击穿、栅氧击穿； 过功耗损伤：铝条或引线丝烧毁、电迁移 等。 促进：电化学腐蚀，枝状结晶蔓生——漏 电、材料热退化。 12 辐射应力： 来自α粒子和宇宙射线。 α粒子射线：来自封装的痕量 放射性元素铀、钍中； 空间宇宙线 强的射线能使存储器的二进制状态逆转！ 不能正常工作或塑封料裂解。 预防措施：管芯涂覆聚酰亚胺用以屏 蔽，减小模塑料中填充剂的α粒子含量。 化学应力： 恶劣环境下引起的化学腐蚀、氧化、离 子表面枝状结晶生长等。电应力和环境中的 湿气能明显地增强化学应力。 湿气－渗透模塑料－到达管芯或浸出和 金属的反应物。 BGA的环境应力可靠性试验 耐湿性能， Al的电解腐蚀。 在高温高压饱和蒸气中贮存。一般 为121℃，100%RH，2atm下168h. 4.高压蒸煮 （PCT） 高温失效机理； Al-Au互扩形成金属间化 合物，或金属-Si互扩 散。 高温环境下，施加偏压或不加偏压下工 作。 如125℃或150℃下1000h。 3.高温贮存寿命 （HTS） 铝引线或铝金属化层的 腐蚀；模塑料中的离子 性杂质的浸蚀。 高温、高湿环境并施正偏压或反向 偏压工作。通常为85℃/85%RH/ 额定偏置 2.高温/高湿/偏压 （HT/HH/BV） （或HHBT） 由热－力应力引起的失 效 －40℃或－55℃或－65℃到＋ 85℃或125℃或150℃或175℃等两 个极端温度之间循环、每10分钟转 换一次，连续循环1000次。 1.温度循环（TC） 失效机理筛选项目筛选项目 13 电子组装焊点失效分析程序 Source: U.S. Air Force Avionics Integrity Program 电子组装互连失效的主要环境原因 焊点形成的基本过程 润湿 扩散 冶金化 最关键步骤，影响因素： PCB、元器件、焊料、焊 剂设备、工艺参数 焊接温度、焊接时间、冷却时间 焊接温度、焊接时间 焊点形成的基本过程 14 主要失效模式 假焊虚焊 疲劳寿命低机械强度低 腐蚀 桥联 主要失效模式 组装互连失效相关问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 主要失效原因2.PCB焊盘不良 1.元器件引脚不良 3.焊料质量缺陷 4.焊剂质量缺陷 5.工艺参数控制缺陷 6.其它辅助材料缺陷 镀层、污染、氧化、共面 镀层、污染、氧化、翘曲 组成、杂质超标、氧化 低助焊性、高腐蚀、低SIR 设计、控制、设备 胶粘剂、清洗剂 组装焊点主要失效原因 15 ¾收集分析与失效有关的文件资料及背景材料 ¾在立体显微镜下检查PCBA， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 任何异常现象（可疑 的焊点、机械损伤、变色、污染或腐蚀等） ¾从电性能的角度确定失效以及失效的部位 ¾普通显微镜观察不到的部位，通常需要X射线透视检查 失效定位 失效机理分析 失效原因分析 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 无损分析 破坏性分析 失效分析的基本程序 ¾与线路板相关的失效一般作破坏性的金相切片分析，寻 找失效根源 ¾与元器件相关的失效通常需要开封分析与切片分析 ¾而与污染、腐蚀导致的失效通常无需开封与切片分析 ¾SEM/EDS分析进一步确认失效的根源，元素分析可以揭 示化学与材料的影响因素 ¾FTIR显微镜确证导致污染或腐蚀失效的污染物的组成及 其来源 ¾综合分析各分析结果与背景材料，形成初步结论 ¾进行必要的验证试验 ¾形成最终结论并编制报告 ¾外观检查 Visual Inspection ¾X射线透视检查 X-Ray Inspection ¾扫描超声显微镜检查 SAM Inspection ¾金相切片分析 Microsection Inspection ¾红外热相分析 IR-Thermal Image ¾傅 利 叶 变 换 红 外 显 微 镜 分 析 FT-IR Microscopy ¾能谱与扫描电镜分析 EDX& SEM ¾染色与渗透检测技术Dye & Pry Testing 常用失效分析手段 16 1.润湿角 2.失效部位 3.批次或个别 4.焊点表面颜色 失效定位 模式初判 主要工具：立体显微镜、金相显微镜、光学 显微镜 外观检查 1.焊点内部缺陷检查 2.通孔内部缺陷 3.密集封装BGA、CSP缺陷焊点定位 4.PCB缺陷定位 原理：不同材料的透过系数不同 主要设备：X-ray Inspection System，3DX检测，分辨率 ～1 微米 X-Ray检查 不同材料的透过情况 极小芯片硅 极小PCB基板环氧树脂 中等PCB印制线铜 高焊料锡 极小引线键合、散热片铝 高焊料铅 非常高引线键合金 极小包装塑料 X-射线不透明系数在封装中的用途材料 17 X射线检查仪结构示意图 扫描的X射线管 X-Y-Z移动台 图像倍增器 CCD摄像机 观察选择器 1.无铅工艺制程中元器件封装内部缺陷（分层、空洞、裂纹）检查 2.FCOB倒装焊点空洞以及微裂纹分析 利用高频超声波在材料不连续界面上反射产生的位相及振幅变化来成像 Delamination 扫描超声显微镜检查 取样 镶嵌 切片 抛磨 腐蚀 观察 仪器设备：取样机（或慢锯）、抛磨机、金 相显微镜 金相切片分析（ IPC－TM－650 2.1.1） 18 1.PCBA温度分布分析 2.模块温度分布分析 （温度过高、过低部位的 焊点往往是开路或虚焊） 红外热相分析 1.焊点表面（有机）污染物 分析（分析腐蚀失效原 因） 2.可焊性不良的焊盘表面 有机污染物分析 （分析焊点开路或虚焊的 深层次原因） 金手指有机沾污 傅利叶变换红外显微镜分析 扫描电镜与能谱分析 19 染色与渗透检测技术 方法与步骤 取样（BGA） 溶剂清洗 染色（加红墨水＋低压） 干燥后垂直分离器件与PCB 检查与纪录 Partially cracked but still conductive prior to testing Cracked/open prior to testing Component PCB 失效案例