表面贴装锡焊件性能测试方法与鉴定要求

《表面贴装锡焊件性能测试方法与鉴定要求》由会员分享，可在线阅读，更多相关《表面贴装锡焊件性能测试方法与鉴定要求（33页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、IPC-9701A表面贴装锡焊件性能测试方法与鉴定要求1范围此规范建立了专用的测试方法，用于评估电子组装件表面贴装焊接件的性能 及可靠性。对应于刚性电路结构、挠性电路结构和半刚性电路结构，表面贴装焊 接件的性能和可靠性被进一步划分为不同等级。此外，还提供了一种相似方法， 可以在电子组装件的使用环境与条件下将这些性能测试结果与焊接件可靠性关 联起来。1.1 目的本规范的目的： 确保设计、制造和组装的产品满足预定的要求。 允许以通用数据库和技术理论为基础进行可靠性的分析预测。 提供标准化的测试方法和报告程序。1.2 性能分类本规范指出表面贴装组装件（SMAs）的性能是随最终使用的性能要求而变化 的

2、。IPC-6011：印制板通用性能规范中对性能等级进行了说明，这些性能分类并 不是按照要求的可靠性而特定的。在目前的情况下，可靠性要求需要通过用户与 供应商协商制定。1.3 术语解释这里使用的所有术语的解释必须按照IPC-T-50中规定的，否则要在第3部 分中进行说明。1.4 说明在本规范中，使用“必须”这种动词强调形式来说明此要求为强制性规定的。偏离“必须”要求的，如果可以提供足够的数据来验证的话，可以考虑使用。说明非强制性要求时使用“应该”和“会”。“将”则说明用途作用。 为了提醒读者，“必须”用黑体字表示。1.5 版本修订对IPC-9701做了些改变，包括附录B建立了无铅焊点的热循环要求

3、准 则。附录 B 还为目前的 IPC-9701 提供了有关使用无铅锡焊工艺时的补充要求。 2适用的文件资料下面是适用的文献标准以及这些文件的后续版本和修订部分，都属于本规范的内容。下列文件标准分为IPC、联合工业标准、ITRI、EIA和其他。2.1 IPCIPC-T-50 电子电路互连及封装的名词术语与定义IPC-D-279 可靠的表面贴装技术印制板组装件的设计指南IPC-TM-650 试验方法手册2.1.1 手动微切片法2.4.1 镀层附着力2.4.8 覆金属箔板的剥离强度2.4.21.1 表面贴装焊接区的粘结强度（垂直拉伸方法）2.4.22 弯曲与扭转2.4.36 金属化孔的模拟返工2.4

4、.41.2 热膨胀系数，应变计法2.5.7 印制线路材料的介质耐电压，2.6.5 多层印制线路板的物理（机械）震动试验2.6.7.2 热冲击刚性印制板2.6.8 镀通孔的热应力冲击2.6.9 刚性印制电路板振动试验IPC-SM-785 表面贴装锡焊件加速可靠性试验指南IPC-S-816 SMT 工艺指南与检验单IPC-7711/21 维修与返工指南IPC-9252 无载印制板电气检测指南与要求IPC-9501 电子元器件的 PWB 组装工艺模拟评估IPC-9502 电子元器件的 PWB 组装锡焊工艺指南IPC-9504 非集成电路元器件组装工艺模拟评估（预处理非集成电路元器件2.2 联合工业标

5、准J-STD-001 电气和电子组装件的焊接技术要求J-STD-002 元器件引脚、端子、焊片、接线柱及导线可焊性试验J-STD-003 印制板可焊性试验J-STD-020 塑料集成电路表面贴装器件湿度/回流灵敏度分类2.3 国际锡研究机构ITRI Pub#580 锡与锡合金的金相学ITRI Pub #708 电子元器件焊点冶金学2.4 其它出版物2.4.1 电子工业机构JESD22-A104-B “温度循环”（2000 年 7 月）JESD22-B117“BGA 焊球剪切”（2000 年 7 月）2.4.2 OEM 工作组SJR-01第2版 “焊点可靠性测试标准”（2001年2月） 3术语、

6、定义及概念3.1 概述为确保组装到电路板上的表面贴装电子元件焊点的可靠性，要求采用可靠性 （DfR）设计步骤（见IP-D-279）,在某些情况下通过试验验证使产品适用于特 定产品类型和环境。元器件或组装越复杂，越需要更多的试验来验证可靠性。在使用过程中，表面贴装焊接件可能会受各种加载条件影响，可能会导致过 早失效。基本的设想就是将焊点适当地润湿，在焊料、元器件底层金属与印制线 路（电路）板（PWB/PCB）之间形成良好的金属粘合。这样就确保不会由于焊点 缺陷而造成早期失效。下列加载情况可能是单独、连续或同时存在，加起来足以引起SMT焊点失效：a）热膨胀差b）振动（运输中）c）在从焊接操作或从恶

7、劣的使用环境中冷却过程中的热冲击（快速的温度 变化引起瞬时翘曲差）。d）恶劣使用条件或意外误操作造成的机械震动（大加速度）。安装在电路板上的表面贴装器件的可靠性是焊点完整性与器件/印制板互连 的函数。通过焊接互连由PWB施加给封装的热机械加载可能会导致封装其它部位 失效。在插座上进行的元件级测试不能代表（表明）板上零件加载情况。对于大 批CSP结构和高引脚点BGA封装，大量使用非丝焊芯片模互连会增加在板级测试 中“未预料的”内部元器件失效的可能性。为了确保表面贴装电路组装件的焊点在指定使用环境下满足可靠性预期值， 通常需要确定某些特定应用的可靠性，即使已经采取了适当的可靠性设计（DfR） 方法

8、。因为焊点的蠕变和应力松弛特性是随时间而变化的，加速试验中的疲劳损 伤和疲劳寿命通常与操作使用中的不同，但利用加速试验结果，通过使用正确的 加速因子可以得到产品可靠性估算值。3.2 可靠性概念通过本规范，要掌握可靠性定义、失效机理以及统计的失效分布。3.2.1 可靠性定义一个产品（表面贴装焊接件）在给定条件下并在规定的时间内完成规定功能 而不超出容许失效等级的能力。3.3 失效机理3.3.1 蠕变 根据时间变化的粘塑性变形是施加的应力与温度的函数。3.3.2 应力松弛根据时间变化的粘塑性变形通过将弹性应变转换成塑性应变来减小应力。3.3.3 焊点的蠕变疲劳模型通过基于实验数据的分析模型估算出受

9、周期性蠕变疲劳影响的焊点的使 用寿命。可以通过Engelmaier-Wild模型（见IPC-D-279附录A-3.1）或其它适 合的被验证过的模型来确定可靠性试验结果估算值、产品可靠性和加速因子。在 Engelmaier-Wild 焊点疲劳模型中，变量疲劳延性指数用于说明疲劳寿命 与周期粘塑性应变能关联曲线的特征斜率。该指数通过实验得到，是时间和温度 的函数，不同于用于Coffi n-Manson等式（适用于非蠕变金属）中的常量指数。3.3.4 热膨胀差在操作使用或可靠性试验中的温度变化会导致材料间的热膨胀和收缩差。热膨胀或收缩是通过材料的热膨胀系数（CTE）确定的。热膨胀差分为下列两种：1

10、）“整体的”热膨胀不匹配：元器件与基板之间的热膨胀不匹配。2）“局部的”热膨胀不匹配：焊料本身以及与它连接的材料之间的热膨胀不 匹配。3.4 试验参数注：所有标有*的定义说明都是摘自 JESD22-A104-B。3.4.1 *工作区在恒温箱内，在规定条件下进行加载温度控制的区域。3.4.2 温度循环范围/振幅 在操作使用或温度循环试验期间的最高温度与最低温度差。见图 31、表 31 和表 41。jI额定最小TsLowsr DWBlITImB最低温度 驻留时间温温度曲线I. !L. J厂nl.ii .J1 ji!w.TDlBrancB:u； 1.!Ts imalI1 _1iT i!i!Nomlm

11、al Tb |rnax)容许极限OBUnH 垦-最高温度 驻留时间容许极限r一“一,LL.额定最大TsNoinHul T& imln.i时间图 3 1 热循环试验条件的温度曲线图 3 1 基于 JESD22-A104-B 附录 A 中的图 1 )表 3 1 表面贴装电子元器件的产品分类以及最恶劣使用环境（仅供参产品类型（常用分类）温度C/F最恶劣使用环境存储操作运行TminC/FTmaxC/F TC/FT hrsD循环周期/年消费装置-40/850/550/3260/14035/6312365计算机及辅助设备-40/850/550/3260/14020/3621460电信-40/85-40/8

12、5-40/-4085/18535/6312365商用飞机-40/85-40/85-55/-6795/20320/3612365工业与汽车一乘员舱20/36&40/721212185100-55/150-40/85-55/-6795/203&60/1081260&80/1441220军用-40/85-40/85-55/-6795/20340/7212100（地面与船用）&60/10812265太空-40/85-40/853/5.4leo-55/-6795/203100/18018760geo12365军用飞机-55/125-40/85a-55/-67125/25740/722100b60/108

13、2100c80/144265维修&20/361120汽车60/10811000-55/150-40/125-55/-67125/257&100/180&140/2521230040（发动机罩I、）&二另外的条件1所有类型的产品可能都会在18C260C64.4F500F温度范围下进行操作。2. Tmin和Tmax分别为操作运行（试验）最低和最高温度，不限定AT的最大值。3. AT表示最大温度范围，但不包括功率损耗的影响；功率损耗要计算AT；功率损耗可能会使 注意温度范围AT不是Tmin和Tmax之差；AT非常小。4. 驻留时间TD为每半个温度循环周期内焊点蠕变时间。3.4.3 *样品温度：Ts在

14、温度循环期间，通过附着在或嵌入在样品上的热电偶或其它温度测量仪器 测量的样品温度。这种固定热电偶或其它温度测量仪器的方法确保样品总质量达 到温度极限和驻留/保温时间的要求。3.4.4 *最高样品温度： Ts(max)样品的最高测量温度。3.4.5 最高额定温度： T(max)特定试验条件下的最咼额定温度就是允许的样品最咼温度Ts(max),见表4 1。3.4.6 *最低样品温度： Ts(min)样品的最低测量温度。3.4.7 最低额定温度： T(min)特定试验条件下的最低额定温度就是允许的样品最低温度Ts(mi n),见表4 1。3.4.8 平均循环温度 Tsj最咼额定温度与最低额定温度的平

15、均值,见附录 A 的公式4。3.4.9 额定AT给定试验条件下的最高额定温度T(max)与最低额定温度T(mi n)之差，见表31。3.4.10 驻留/保温时间 TD样品温度总时间在每个额定最高温度T(max)和最低温度T(mi n)规定范围内 (见表 41)。驻留时间对于加速试验来说特别重要，因为在加速试验过程中蠕 变过程实际上不完整。驻留便于将不完整的蠕变过程对产品使用温度循环产生的 影响进行校正，产品使用温度循环时间足够长，可以使蠕变过程在每个循环驻留 时间内趋于完整。3.4.11 驻留/保温温度高于T(max)(循环上限)，低于T(mi n)(循环下限)的温度，见表4-103.4.12

16、 循环时间完成一个完整的温度循环周期所用的时间，见图3103.4.13 *温度缓变率 样品在每个时间单位内温度增加或降低的速率。温度缓变率应该在温度曲线的直线部分测量，通常是在给定试验条件温度的10%90%的范围内。注：缓 变率可能会受载荷的影响，应该通过验证。3.4.14 最大循环应变（变形）范围 在周期性热或机械损伤过程中形成的总应变（变形）范围。3.4.15 最大循环应力范围在周期性热或机械变形过程中产生的总应力范围。焊点在发生蠕变的温度范 围内，应力和应变范围是彼此独立的（与非蠕变型金属相反，它的应力应变曲 线说明了应力与应变的唯一对应关系），因为每一个温度和应变率都有不同的应 力应变

17、曲线。模量和产出量是受温度和应变率影响的，连接件结构的复杂性（例 如易弯曲的引脚）对焊点的最大应力产生的影响很大。3.4.16 滞后回线滞后回线可以用图表示出载荷循环过程中焊接件的应力应变特性。滞后回 线区域说明了每个循环周期的粘塑性应变能，也是衡量每个循环周期疲劳损伤的 一个计量单位。滞后回线大小要根据应变范围、应力范围、循环驻留时间而定， 平均循环温度对其影响很小。3.4.17 设计使用寿命 一台设备在规定环境下，完好地完成所有功能所需的操作使用寿命。3.4.18 预计的使用寿命 通过加速试验结果产生的模型（将疲劳循环数与给定容许的累计失效概率建立关联）预测出的使用寿命。3.4.19 早期

18、失效在环境应力筛选（ESS）试验、老化试验、初始功能试验或在初期使用过程 中，主要由于不充分的性能或生产工艺而导致的失效。3.4.20 随机稳定状态失效 是一段有效的操作使用寿命周期表面上失效随机发生或以低速率发生，与产品复杂性无太大关系。对于焊接件来说，此过程不可测量，因为可能不存在 或失效率很低。3.4.21 损耗失效损耗就是损伤累积超时过程，在此过程中，由于疲劳或其它损耗机理导致产 品消耗恶化而引起失效发生稳定上升。这是由于焊接件的蠕变疲劳引起的损耗失 效，为本规范的论述主题。3.5 统计失效分布的概念3.5.1 统计失效分布 失效，特别是由于损耗引起的失效，不是突然同时发生，但是超时分

19、布。威伯尔统计分布是最适合用于损耗失效的分布；但有时还可以使用Log-Normal分 布。对于威伯尔分布，需要2 个定义参数：（1）威伯尔斜率（分布范围的一个计 量单位）；（2）某些截止值（通常N （63.2%） 威伯尔分布的特征寿命，但 有时为N （50%） 平均失效寿命。在威伯尔分布坐标图上，利用这两个定义 参数将测量数据绘制成直线，可以简化数据分析。3.5.2 平均失效寿命 N（50%）一半的样品失效所用的时间。3.5.3 无失效寿命 N0首次失效发生前的时间（或循环数）（此参数用在3参数（3-P）威伯尔统计 分布中）。3.5.4 累积失效百分比在试验过程中，样品i的累积失效百分比通过等

20、式F（i）二i/（n+1）计算，其中i 为样品序号。3.5.5 累积失效概率 为了设计需要，规定的可靠性通常是指不超出规定设计寿命的“累积失效概率”。3.5.6 容许的累积失效概率 在使用寿命结束时，允许的最大缺陷/失效百分比。3.6 可靠性试验3.6.1 加速可靠性试验在比使用寿命短的时间内，加速影响操作使用的损伤机理，从而引起失效的 一种试验。虽然加速试验结果来自较短的循环周期或更恶劣的加载条件，但必须避免使用外来的损伤机理。可以通过适当的加速因子来估算使用寿命。3.6.2 热循环要将组装件进行周期性的温度变化试验，温度变化率要足够慢以避免热冲击 （通常小于或等于20C36F/分钟）。热循

21、环的最高温度应该为低于印制电路板材料的玻璃软化温度 Tg 温度的 25C 45F。必须注意如果循环温度低于-20C -4T或高于110C 230F或两种情况 都存在（接近共晶（易熔的）锡铅焊料）可能会使焊接件遭受不只一种的损伤机 理，这些机理彼此互相加速促进，从而导致早期失效；此外，由于多种损伤机理 的混杂，所以在此环境下推断试验结果前必须对各种损伤机理有所了解。3.6.3 热冲击当组装件遭受温度快速变化（在零件/组装件内引起瞬时温度梯度、翘曲以及应力）时会发生热冲击。热冲击的温度变化率通常大于20C36F/分钟。3.6.4 电源循环对于经常被接通/断开电源的电子器件来说，电源循环试验可能比温

22、度循环 试验更能准确地模拟现场使用条件。3.7 其它试验3.7.1 老化试验对成品进行老化试验，定期的在正常的，有可能是恶劣的但还是仿真的操作 环境下进行，不属于加速可靠性试验。3.7.2环境应力筛选（ESS）筛选过程利用由环境产生的应力，使组装件中“薄弱的”元器件的应力超限 达到失效点，防止这些潜在缺陷在现场使用中出现，引起现场失效。产生这些应 力的环境可能或不可能与产品使用环境条件有关。一旦出现失效，元器件就会被 检测出来并被维修、替换、报废，或为未来产品重新设计。 ESS 必须在不损坏“正 常的”元器件的情况下进行。ESS不是加速可靠性试验。3.7.3高速应力试验（HAST）这种试验是在

23、温度与湿度结合的加速应力中电偏压情况下模拟与失效机理 有关的侵蚀。 HASL 可以用于元器件和组装件，但对于焊接件来说不属于加速可靠性试验。3.7.4 机械震动机械震动就是对系统产生快速的机械能量转换，在系统内部使应力、速度、 加速度或位移发生显著变化。3.7.5 振动交替地与平衡位置相反的方向周期性或随机地运动。应用载荷通常低于材料 的屈服点（弹性）。3.7.6 工艺鉴定用来验证制造产品的工艺是否满足性能规范的一种特殊试验或一组试验。3.7.7 工艺检验对工艺进行定期的评估，确保工艺优化或消除工艺偏离。3.8 评估与应用事项表 3 1 列出了 9 种最常见的产品类型的常用存储和操作环境以及最

24、恶劣的 使用环境条件。此表格仅供参考。3.9 焊接件工艺说明焊料根据特定的使用条件随温度、时间和应力而变化的特性使其在工艺金属 中具有独特性。例如，共晶（易熔的）铅锡焊料在高于20C68F温度时具有 稳定的蠕变和应力松弛，而在低于-20C -4T温度时具有与其它金属相似的长 时间承载能力。高于20C68F时，温度越高并/或压力等级越高，焊料的蠕变 和压力松弛越快。设计并确保产品可靠性的第一步就是要对给定的表面贴装焊接技术的可靠 性和失效机理有所了解。为此，需要有通用数据库。虽然可能会发生基于单超限 应力的失效机理，但最常见的可靠性威胁是来自于由疲劳损伤引起的应力松弛。 理想的疲劳失效数据库是根

25、据低加速和高加速的结合试验得到的。对于接近共晶 （易熔的）铅锡焊料来说存在这样的数据库，但对于其它合金，目前不存在这种 数据库，特别是对于无铅焊料。由于这个原因，试验器件在低加速试验中产生的平均失效次数大约比现场使 用的实际寿命短1020次。高加速试验大约短100500次。试验加速度越大， 试验结果反映出的现场条件性能越少。因此，低加速试验应该更能最大程度地模拟预期的现场条件，但通常由于低 加速试验所要求的时间和资源问题，使高加速试验成为必要试验。 4性能测试方法规范化的加速可靠性测试方法为首选方法，因为其试验数据可以用于形成可 靠性基础标准。IPC-SM-785为加速可靠性测试方法的设计与实

26、行提供技术基础。 特别推荐将本标准与 IPC-SM-785 一起使用，因为本标准介绍了 SMT 焊点失效物 理机制，也就是导致焊点疲劳的各种机理。除了用公式说明失效的机理外，本标 准还提供了基于实证研究的技术资料，从中可以获得加速测试程序。 IPC-SM-785 给出了适当的警告与免责条款。由于SMT焊点的疲劳寿命远远超出了电子组件设计与研制通常所需的时间， 因此加速试验就成为鉴定产品使用寿命的一个必要条件。 IPC-9701 为加速寿命 试验的设计提供指导方法。虽然加速寿命试验通常要在用户与供应商之间达成一 致，但本标准的使用（按照需要稍作改动）将会使寿命试验规范化。本标准中的测 试方法和要

27、求可能在技术上没做严格要求，但继续使用与数据积累将会形成可靠 的数据基础。4.1 总要求表 41 列出了规定的和推荐参考的试验参数。规定的参数应该严格遵守， 不能有任何偏差。遵照所有规定的条件可以确保试验和结果通过工业验收；偏离 某一特定的规定参数可能会被个别用户接受但最终影响供应商的试验结果通过 工业验收。对于多种参数，建议使用推荐参考的以适应更广泛的工业兼容性和验 收。应该遵守推荐参考的参数，除非供应商可以验证他们建议的偏差可以提高特 定封装的板级可靠性。4.2 试验器件试验器件的正确设计与组装是确保获得正确有效数据的关键。4.2.1 元器件说明表面贴装元器件就是使用传统的回流技术用焊料合

28、金将元器件焊接到一块 电路板上。球栅阵列（BGA）,小尺寸封装（SOP）和芯片级封装（CSP）都是一些 典型的元器件类型。表 4 1 温度循环要求，规定条件下的规定的与推荐参考的试验参数试验条件规定条件温度循环(TC)条件：TC1TC2TC3TC4TC50C+100C(推荐参考)-25C+100C-40C+125C-55C+125C-55C+100C测试时间热循环次数（NTC）要求：NTC-ANTC-BNTC-CNTC-DNTC-E无论哪种条件，首先：50%（最好为63.2%）累积失效 （推荐参考测试时间） 或200次循环500次循环1000次循环（推荐TC2.TC3和TC4）3000次循环6

29、000次循环（推荐TC1）低温驻留时间 温度极限（推荐）10分钟+0/-10 C (+0/-5 C) +0/-18 F (+0/-9 F)咼温驻留时间 温度极限（推荐）10分钟+10/-0 C (+5/-0 C) +18/-0 F(+9/-0 F)温度缓变率20 C 36 F/分钟所有产品样品的尺寸个元器件样品（个试验样品，个样品做横切测W,另外个样品进行再加工）印制线路（电路）板（PWB/PCB）厚度2.35 mm 0.093 in封装/芯片模条件菊花链结构的芯片模/封装（见表42）试验检测连续检测（见表44,推荐使用事件检 测器）本鉴定要求标准将论述焊点的可靠性以及在其他板级热循环干扰下元

30、器件/ 印制板之间相互的热机械影响，例如分层、过孔断裂、电介质断裂等等。本标准规定的默认条件是使用菊花链结构的芯片模以确保在板级温度循环 期间焊球可靠性、封装材料以及芯片模级间的互连全部特性化。表 42 列出了 免除菊花链结构芯片模要求的类型。表 43 列出了免除类的特定参数要求。机 械芯片模（如果允许）应该按照尺寸和芯片模间的互连制造一个实际芯片模但要 求包括菊花链线对或活性硅电路。表 4 2 菊花链要求免除类型规定条件全部产品特性化（默认）菊花链结构的芯片模免除类型A菊花链结构的封装基片与机械芯片模（推荐（见表4 3）菊花链结构的芯片模）陶瓷封装（基板厚1 mm 0.040 in， 平均模

31、数240-270 Gpa）菊花链结构的封装基片（推存菊花链结构）4.2.1.1 菊花链结构芯片模/封装试验器件的元器件封装与芯片模应该能代表产品元器件的特性： 1规定试验器件的元器件布局、结构和材料必须能代表典型的产品元器件，包 括芯片模连接粘合与工艺、填充与工艺、丝焊/倒装芯片等等。2试验器件的元器件的芯片模是菊花链结构（如果适合条件）（见表 42）。试 验器件必须使用能代表产品元器件特性的封装材料和尺寸，并且使用与产品元器 件相同的芯片模互连、印制线结构、过孔结构以及层数等与外部引脚/焊球/焊盘 连接。为了减少试验费用，菊花链结构的芯片模应该与产品元器件的最大尺寸芯 片模相符。对于塑料BG

32、A/CSP的元器件，在板级温度循环时，芯片模下方的焊球经常最 先失效；因此，菊花链必须覆盖此区域，即使这些焊球只在接地/电源位置。对 于陶瓷材料的元器件，角球最早失效，应该为关键区域。分布在BGA/CSP焊球矩 阵四周的电源/接地焊球不要求菊花链覆盖；但菊花链点式结构必须为所有器件 排列/重要区域提供覆盖等级。这种被单点连续检测的菊花链结构设计是可以的，但最好的是在每个器件上 可以通过多网络进行独立检测，这些网络可以提供最先失效区域的其它信息。例如一个BGA/CSP （每个封装有45个网络），可以包含失效隔离，如下：（a）封装角上的焊接件（b）外边上的焊接件（c）芯片模边缘底部或接近底部的焊接

33、件（d）封装中央的焊接件（如果有）对于菊花链网络结构，高失效危险区域应该有独立的菊花链网络。表 4 3 免除试验的要求A：使用机械芯片模而不是PQ9701菊花链结构，先前通过IP9701验证。如果【新】器件不满足下表免除类型A的要求，则适用于默认的全部产品特性化类型内容说明免除类免除类型A封装体尺寸【新】110% PQ 9701【新】120% PQ 9701芯片模不适用于陶瓷基片（厚度大于等于1mm，平均模数为240270GPa，无凸缘）。尺寸【新】110% PQ 9701【新】120% PQ 9701焊球直径（如果适用）【新】90% PQ 9701【新】80% PQ 9701被润湿的焊盘直径

34、（如果适用）【新】90% PQ 9701【新】80% PQ 9701焊球间距或引脚间距【新】90% PQ 9701【新】80% PQ 9701焊球基准距或引脚基准距【新】90% PQ 9701【新】80% PQ 9701基片厚度【新】=PQ 9701 土 20%【新】=PQ 9701 土 40%增强片/散热片尺寸（如果适用）【新】=PQ 9701 土 20%【新】=PQ 9701 土 40%环氧尸密封剂尺寸【新】=PQ 9701 土 20%【新】=PQ 9701 土 40%粘晶尺寸* （如果适用）【新】=PQ 9701 土 20%【新】=PQ 9701 土 40%填充*材料尺寸（如果适用）【新

35、】=PQ 9701 土 20%【新】=PQ 9701 土 40%有机材料重要特性（模数、热膨胀 系数、强度极限等）【新】=PQ 9701 土 20%【新】=PQ 9701 土 20%有机材料供应商（基片、粘晶、环 氧树脂模具、密封剂、填充材料等）【新】=PQ 9701【新】=PQ 9701铅材料组成成分和铅基金属化【新】=PQ 9701【新】=PQ 9701增强片/散热片材料（如果适用）【新】=PQ 9701【新】=PQ 9701焊球焊盘类型（SMD/NSMD等）（如 果适用）【新】=PQ 9701【新】=PQ 9701球栅布局（全矩阵与减少粒子数）（如果适用）【新】=PQ 9701【新】=P

36、Q 9701用于【新】器件完整的数字/分析 模型分析方法必须通过验证一将预测值与【PQ9701】器件经试验得到的焊点可靠性 数据相比较。有机材料的重要特性数据（模数、热膨胀系数、强度极限等）必须 通过试验获得。【New】=新器件【PQ9701】=试验数据符合IPC-9701全部产品特性化要求的器件。4.2.1.2 焊球剪切试验如果符合条件，进行焊球剪切试验。最小的剪切力平均为一3，最少3个 封装，每个封装10个焊球。沿着BGA/CSP边缘平行于基片平面进行剪切。剪切 工具的高度应该距芯片表面最小50卩m0.002 in。剪切试验的额定速度最好为规定的推荐的500卩m/秒【0.020in/秒】剪

37、切后的焊球失效模式应该是大量焊料失效或铜箔园 配剥离，金属间失效为不合格。推荐以更高的速度进行剪切试验，以便确定剪切 速度对剪切强度与失效机理产生的影响。参见 JESD22-B117 BGA 焊球剪切试验。4.2.1.3 元器件的文件编制要求元器件文件编制的所有要求：1. 封装外形图或参考 JEDEC 外形图。2. 芯片模内部尺寸（长 X 宽 X 高）与方位（如果芯片模不是方形的）。3. 菊花链连接图/连线网表（最好为电子文档） 。4. 测量的焊球/引脚共面性（底座面方法或最佳安装位置）。5. 与被测器件同批产的零部件的焊球剪切或引脚拉伸测试值（如果适用）以及失 效模式，拉伸试验为可选试验。6

38、. 通过微云纹干涉测量法数据测量与被测器件同批产的零件的 X、Y 的热膨胀系 数（推荐面阵列封装）。其它技术例如 TMA 也可适用，用于确定有效的热膨胀系 数。7. 焊料润湿焊盘尺寸（如果适用）。8焊球焊盘类型（如果适用）（阻焊层限定（SMD）：阻焊层在焊盘上的覆盖率； 非阻焊层限定（NSMD）：阻焊层与焊盘间的开孔或在焊盘上的过孔）。9. 铅精加工/焊盘金属化合物结构，所有层面的厚度和焊料组成成分（如果适用）。10. 菊花链互联线路图（从芯片模到引脚）（如果适用）。11. 芯片模引脚连线表（最好是电子文档）。4.2.2 印制线路（电路）板PWB/PCB布线、厚度和焊盘设计影响焊接件的完整性。

39、规定的PWB厚度的标 准参考值应该是2.35mm0.093 i n（见表41）。推荐使用2个PWB厚度用于封 装系列的首次鉴定，有助于推断实验结果的解析外推法的应用。其它PWB的厚度 可以根据用户的使用要求而改变，可厚可薄。除了下面推荐的PWB试验板层结构外，将PWB的层数设计成偶数也很重要， 这样可以形成对称的横截面和对称的信号层。因为铜和环氧玻璃的热膨胀系数不 同，如果不对称的话，在工艺加工时PWB会翘曲。建议使用标准的PWB设计方法设计菊花链结构的试验板。在元器件库中确定 封装以及连接端子（如果使用），将所有封装使用菊花链连接起来并为试验板设 计实际的原理图。这样，使用生产 PWB 的标

40、准设计流程就可以设计出试验板。这种设计流程通常包括交互工具和设计检验，确保所有网络连通。按照上述 流程操作大大增加了 PWB试验板初次完美设计的几率。相反，假设有一个在CAD 系统上设计的“简单的”试验板，如果对所有零部件的电气连接不进行检测，那 么失效几率将大大增加。4.2.2.1 试验板的设计要求下面是试验板的设计要求：I. PWB最好为2.35mm0.093 in厚，最少六层铜板；PWB增厚或变薄，则层数 相应成比例地增加或减少。2如果封装体尺寸大于40mm1.57 in, PWB最好3.15mm0.125 in厚，八层 铜板。3. PWB 的试验板最好与 PWB 产品用相同的材料和布线

41、；但在所有情况下，规定 必须测量玻璃软化温度Tg和x、y上的CTE。4在内层中偶数层上的电源层/接地层（PWB总层数为偶数）必须有70%的铜覆 盖率。5在内层中奇数层上的信号（PWB总层数为偶数）层必须有40%的铜覆盖率。6. 最好只在外层使用菊花链网。7. 印制线最好被隔离以便可以在不损坏板上其它部件的情况下拆除任一部件。其它的参考迹线（只在通过自动目视系统（例如3D激光）测量焊膏高度时使用） 应该设计在靠近焊盘的位置。这些迹线是必需的，因为目视系统需要在被焊膏覆 盖的焊盘表面有一个参考。8虽然菊花链网络通常不要求PWB试验板有过孔，但规定PWB试验板在焊盘最 少50%的位置上包含有过孔，产

42、生与PWB产品过孔相似的机械效能。9建议进行OSP （有机焊膜）表面涂层。可选用HASL （热风焊料平整）工艺。10如果适用，规定使用NSMD （非阻焊层限定）。II. 与焊球焊接的 PWB 的焊盘直径最好是元器件被焊料润湿的焊盘直径的 80%100%。12. 每个菊花链网络需要多探针式焊盘便于进行失效分析。13标准外层铜箔厚度最好为35g137.8u in。14外层印制线最小宽度最好为150g590.6 u in。15如果可以，封装体与相邻封装之间、接线端子或板边缘需要最小 5mm0.2in 间隙，还要有拆除失效封装所需的空间。16对于阻焊剂对准，表面贴装焊盘上不允许有重叠现象。 NSMD

43、焊盘上不允许 有阻焊剂。17对于PWB板翘曲，要求在工业标准（IPC-2221、IPC-6012和IPC-A-600）规 定的范围值内。这些标准参见PWB翘曲“弯曲与扭转”18用在镜面（双面）板上的元器件必须在镜面结构板上进行测试。 19规定要有丝印或铜蚀刻（包括但不限制）的图解说明清楚地标明试验板上 的所有元器件、所有测试点以及用于正确封装的插头 1 的位置，这样便于进行组 装、 ATC 和失效分析。4.2.2.2 试验板的菊花链设计组装后元器件上与 PWB 试验板上的菊花链连接成一个完整的菊花链网。建议 将菊花链迹线链设计在 PWB 的顶层，这样可以避免错误判断（过孔失效而误认为 菊花链失

44、效）。强烈建议在装配前对裸 PWB 进行加速试验以确保质量并减小在板 级测试时过孔失效的可能性。规定必须对元器件/PWB菊花链进行连续检测。但建议在每个菊花链网内设 计人工多探针式焊盘以便于失效隔离。在每个菊花链网内使用多跳线定位能够对 其它的失效位置进行连续检测。4.2.2.3 试验板的文件编制要求下面是试验板所需的文件说明：1. PWB布局。2. 电介质材料。3. 最好提供内部印制线、板面和过孔几何尺寸。4. 外部几何尺寸。5. 镀层抛光。6. x/y上的CTE （热膨胀系数）测量值，推荐用TMA或云纹干涉法。7. 测量的玻璃软化温度 Tg。8. 试验板在恒温箱中的安放位置。4.2.3 印

45、制板（试验板）组装大多数情况是利用大型回流输送带式焊炉和热风再加工工作台将 SMT 器件 组装到电路板上。因此，最好使用这两种回流方法将菊花链结构的元器件组装到 试验板上。再加工是利用再加工设备进行回流操作而不是将元器件重新使用。再 加工的元器件应该是原始未加工的，与大型回流组装器件相同。在进行大型回流或再加工操作前对菊花链结构的元器件进行吸湿可能会导 致各种封装接口处的分层。多种研究还表明印制板组装参数的复杂性不但会影响 产出率还会影响焊接件的可靠性。因此，附有焊接件可靠性试验结果的文件资料 非常重要（包括下面列出的试验板组装的文件资料）。粘附着或机械连接的散热片会影响焊接件的可靠性，需要在

46、专用的测试中进 行评估，不在本标准中说明。4.2.3.1 印制板（试验板）组装要求必须在组装前对印制板（试验板）组装定位工艺参数进行优化。优化的工艺 参数包括焊料量、焊膏对准、印刷速度、刮刀压力、漏板离网和热温度曲线等等。如果可以，应该按照“印制板组装生产前的元器件烘烤”的存储/烘烤步骤。如果没有确定元器件抗潮级别或烘烤规格，则默认需要在125C【257F】 下烘烤 24 小时。如果可以，应该按照“再加工处理生产前的印制板烘烤”的存储/烘烤步骤。如果没有确定PWB抗潮级别或烘烤规格，则默认需要在105C【221 F】下 烘烤 24 小时。必须在组装后对所有焊接件进行 X 射线检测，确定焊接件的

47、缺陷。焊点缺陷 包括：桥接、开路、焊点丢失、大片空洞、焊球对位不良以及缺少角焊缝。有总 缺陷的器件不应该包括在可靠性评估中。如果检测出多种总缺陷，建议重复进行 制造过程优化。必须对所有组装件进行电气连通性检测。菊花链结构的起始电阻发生开路、 短路或任何异常都是不合格的。不应该在 ATC 中检测起始电阻发生开路、短路/ 异常的样品。4.2.3.2 试验板组装的文件编制下面列出了试验板组装所需的资料：1. 回流温度特性说明，包括预热温度、缓变率、临界峰值温度（焊料、封装表面 以及印制板等）、在高于焊料液化温度时的持续时间以及冷却速率。包括回流气 压、热电偶位置以及连接结构（形式）。2. 焊料组成成

48、分以及焊膏金属比例、粒筛尺寸和助焊剂类型。3. 标定的焊膏量。4. 标定的焊接件基准距。5. 标定的焊球尺寸或角焊缝形状，最好使用对角横截/X射线分层法。6. 在每个试验板再加工现场完成的再加工次数（默认值= 1）。4.3 加温测试方法4.3.1 通过等温老化进行预处理最好选择非商业用户，组装后的试验器件在大气中进行加温老化（例如在100C212F下24小时（-0/+5C）, （-0/+9T） ）来模拟分析适合的使用周 期并加速焊料晶粒生长、金属间化合物生长及氧化等可能出现的过程。在进行疲 劳测试前，将经过模拟老化后的试验器件在室温下再储存一段时间，这样可以使 焊接结构更加加固。4.3.2 温

49、度循环注：标有*的段落是从JESD22-A104-B摘抄的。4.3.2.1 *恒温箱在加载最大载荷时，所使用的恒温箱必须能够提供并控制规定的温度并在工 作区循环记录时间。对样品的直接导热应该最小。必须通过下列一种或两种方法 对达到试样温度要求的每个恒温箱进行性能验证：（a）使用测量仪器和最大加载进行定期校准，并对固定的测温工具热电偶进行 的每一次温度测量（确保运行的可重复性）进行连续监测。（b）将测量器件放置在最恶劣温度位置（可能是载荷的四角和中间位置），对每 一次的测试进行连续监测。4.3.2.2 *测试步骤样品必须放置在大致没有阻碍空气流通的地方。如果需要特殊安装，必须有 特定说明。然后必

50、须对试样进行规定循环次数下规定的温度循环测试。在完成试 验规定的全部循环次数时，可能会由于试验箱装载或器件卸载、人工检验中断以 及电源或设备故障等原因而引起试验中断。但必须将中断次数减到最少。如果要 将热电偶粘在样品上，那么必须尽量少的使用粘胶剂或胶带，以确保正确的温度 测量。在连接热电偶或其它温度测量仪器时，使用的方法应该确保样品总质量达 到温度极限以及驻留/保温时间的要求。在进行焊点疲劳测试时，注意避免试验样品的瞬时温度坡度。热质量大且传 热效率低的试样需要足够低的缓变率来弥补热质量。在温度缓变过程中，试样温 度与恒温箱周围温度差应该在几度范围内。对于热质量大的试样，可能需要使用 单区恒温

51、箱来达到规定的缓变率。下面是规定的或推荐的条件：a）最好使用有空气的单区恒温箱，垂直放置印制板（试验板），最好与气流平行。b）建议对恒温箱内不同位置的六块板进行温度测量，2块在恒温箱的中间区域,4 块在四周。c）表41列出了每个温度极限点的驻留时间、加热和冷却速率（缓变率）。印 制板（试验板）上热电偶的平均数用于计算缓变率。应该在低温保留的最大极限 与高温保温的最小极限之间测量缓变率。4.3.3 试验检测4.3.3.1 温度检测表 44列出了温度检测要求。4.3.3.2 菊花链的电气检测表44列出了对菊花链进行电气检测的要求。必须通过事件检测器/数据记 录器进行连续的电气检测，事件检测器为首选

52、参考检测方法。人工读点不适用于 连续检测。焊点断裂几乎都与电气有关瞬时开路或高电阻连接。事件检测器的主要 优点就是可以捕获这些间歇的高电阻情况通常在增加一个可测电阻前，焊点 完全断裂刚发生后出现。事件检测器最严重的缺点就是由于测试仪器、电缆或接 线端子微小的电气噪声造成的错误的故障指示。数据记录器探测并记录电阻变 化。规定使用数据记录器进行扫描，间隔时间不到1 分钟。除了使用连续检测的 方法外，还需要人工检验以便减少故障误判（由于连接电缆、接线端子、 PWB 试验板或测试仪器故障引起）。在热循环间隔进行人工检测对连续检测来说不是一个可选的方法。因为不但 人工检测忽略高/低温时的初始失效，而且失

53、效持续时间的准确度也取决于人工 取样频率。此外，这种方法还扰乱试验的进行，当失效发生时不能确切地找到， 非常浪费时间。4.3.3.3 失效定义事件检测器定义的失效：第一次的中断，持续最长 1微秒，菊花链电阻值增 加到100Q或更大，在距初始失效10%的循环时间内通过另外9个或更多事件证 实失效。为了确定失效是由于互联造成的就需要检测大量的中断。对于非互联性 失效造成的中断（例如测试仪器、软件故障），必须进行说明。数据记录器定义的失效：在最多 5 个连续检测读数/扫描内最多 20%的额定 电阻值增加。表 44 给出了失效定义。表 4 4 试验检测要求试验参数规定条件温度（恒温箱特性）恒温箱初次启

54、动时，对恒温箱内每块板上的元器 件的温度进行监测并记录。利用试样负载、试验 板结构和固定仪器进行特性验证。温度（恒温箱测试过程中）连续监测至少2块试验板（恒温箱中间和四周） 上的2个元器件的温度以及恒温箱的环境温度。电气（高温和低温）连续瞬时事件监测（推荐参考）或连续的电阻监测（扫描所有菊花链的最长间隔时 间=1分钟）。不允许人工检测。失效定义事件检测器：1000Q, 10个事件（最多）,1微秒 持续时间（最长），报告首次被验证为失效的时间。 和/或数据记录器/电压表：20%额定电阻值增加（最 多），5个读数/扫描值（最多）。5鉴定要求5.1 热循环范围表 4-1 给出了热循环要求。任何产品的

55、热循环要求应该通过用户根据产品特 定的运行环境确定。推荐参考：热循环条件TC1 （0C32F 100C212F）, 测试时间 NTC-E（6000 次循环），以便使试验结果被更广泛的工业部门接受。表 4-1 给出了热循环要求。表 4-1 中给出了 4 个测试条件的温度循环范围及其允许的温度极限。除了温 度极限外，测试条件TC1、TC3和TC4分别与JEDEC22-104A-A中的测试条件J、 G和B相同。*注意：选择测试条件时应注意：1）给定测试条件下的Tmax可能超出PWB的玻璃软化温度范围（Tg-25C 45 F）,会使PWB物理特性发生显著变化并导致在加载条件下的非线性变化；2）给定测试

56、条件下的Tmax可能超出某些元器件材料的玻璃软化温度，可能会导致失效机理在设计应用条件下不能被正常发现；3）热膨胀系数差超出测试条件温度范围会导致试验板上过孔的过早失效， 从而限制了被检测器件的电子读数性能。测试条件TC3与TC4的其它缺点：1 ）与试验板上高纵横比的过孔的兼容性降低。2）在更大温度范围内，试样材料与测量材料特性的相关性降低。3）在给定的大多数电子应用相对良性的实际使用的温度范围内推断使用寿 命的精确度降低。5.2 热循环测试时间任何产品的热循环测试时间要求应该由用户确定，以便满足产品的特定运行 环境要求。表4-1给出了热循环测试时间要求。推荐：温度循环条件TC1 （0C 10

57、0C32F212F）,测试时间NTC-E （6000次循环）。通常检测出63%的失效 来确定失效分布。*注意：在推断产品使用环境中循环寿命的加速测试结果时必须注意。在温 度极限点驻留/保温时间短会导致不完整的蠕变过程。因此，即使提供给加速试 验的张力和应力范围可能比给运行使用中提供的大，但加速试验的循环滞后回线 可能会小。试验加速度主要是较短的平均失效时间之一，不一定是较少疲劳循环 周期之一。如果在确定 NTC 等级前，试样发生 50%（最好是 63.2%）的累计失效，那么 测试时间由到最后失效样品的失效循环次数决定。5.3 试样数量规定 33 个元器件进行默认的产品特性化试验（见表 4-1）

58、。其中 32 个被测 试，1 个在组装后做横切面。另外 10 个（最少）原始未加工的样品进行再加工 装配，强烈建议将它们对可靠性的影响列为全部默认特性。免除类型A （见表43）,不需要另外的试样进行再加工测试。5.4 免除试验的要求必须满足表4 3免除栏内的条件才能免除试验。当【新】器件满足（IPC-9701 全部默认保护特性）此栏中规定的免除要求时不需要测试。6失效分析失效分析的主要目的是确定电气故障的位置、模式以及机理。在大多数情况 下，故障是否发生在测试电缆/接线端子、试验板、焊接件或封装内部连接不是 非常明显。试验板、菊花链结构芯片模以及整个连接电路图的周密设计可以减少 失效隔离的设计

59、。6.1 失效分析方法常见的失效分析方法有扫描电子显微镜（SEM）、X射线、扫描超声波显微镜 （CSAM）、横切面（横向平行）以及染色与渗透（组装件加压染色曝光，然后拆 除机械封装）。建议在失效非破坏性鉴定后，进行横切和染色与渗透评估。在测试（NTC级循环结束后零失效）结束后，供应商必须进行失效分析（每 个试验板类型最少随机选择3个器件）以确保不遗漏由于菊花链设计失误或检测 硬件故障而未被检测出的失效。6.2 数据与失效分析的文件编制要求下面规定了文件编制的要求：1. 所有实验装置（包括恒温箱和数据采集系统）的详细说明，。2. 印制板（试验板）与恒温箱的温度与时距曲线图（恒温箱启动特征数据）。

60、3. 数据记录器样品的电阻值与时距曲线图。4. 所有失效的疲劳循环周期的表列数据（最好为电子文档）。5. 所有失效的 2参数威伯尔图表（建议）。6失效分析样品、失效模式鉴定（染色与渗透、CSAM、横切、X射线或其它适合 的鉴定方法）、根本原因确定（每个试验板类型最少3个试样）以及主要的失效 模式。7. 对于 NTC 级循环后零失效的测试，进行失效分析的文件资料（每个试验板类 型最少随机抽取3 个器件）。8. 单个典型的封装/组装板原点对角横切的横截面。7.质量保证7.1 检验职责除非合同上另有规定外，供应商负责履行所有检验要求以确保产品质量符合 本标准的规定要求。用户保留进行规范中列出的任何检验的权力以确保供应与服 务符合规定要求。7.2 质量合格检验7.2.1 组装检验必须对焊点的总缺陷进行检验通过非破坏性的 X 射线技术对组装件进 行检验（见 4.2.3.1）。必须使用非破坏性检验与横断面测量的检验方法（见 5.3） 确定组装的总缺陷。如果总缺陷反映出非最优化的装配工艺，则必须在元器件与 PWB 检验后进行新组件装配以确保符合4.2.2和 4.2.3 规定的要求并促进装配工 艺的优化。主