影响smt小尺寸封装器件焊点可靠性的因素

目前，对于smt贴片加工技术的应用越来越广泛，但其致命的弱点是焊点寿命有限、可靠性较差，所以研究表面贴装器件的可靠性显的尤为必要，而且设备越先进，控制系统的功能越强大，电子设备元器件也越多，其失效的概率就愈大，一旦失效，造成的经济损失就愈惨重，尤其是安装在火箭、空间探测器以及卫星等高尖端设备中的电子设备常常受到来自外界连续随机冲击，对器件的可靠性要求非常高。小尺寸封装器件是一种两侧有引脚朝外的典型表面贴装器件，目前军工产品对这类器件的应用越来越多，影响焊点可靠性的因数也很多，本文众焱电子小编将从器件引脚镀层、焊接参数、印制板焊盘镀层和设计几个方面进行了研究。

一、器件引脚镀层

1、镀层种类

通常片式元件的焊端大多采用Ni / Sn或纯Sn镀层，对于低端产品以及寿命要求小于5年的元器件一般镀纯Sn，对于高可靠产品及寿命大于5年的元器件一般采用Ni打底镀覆工艺以防止锡须产生。

SOP器件引脚材料一般为Fe/Ni合金或Cu合金，表面镀层采用Ni/Pd,Ni/Pd/Au等，镀Au层厚度控制不当，会产生金脆现象发生。预镀的Ni/Pd和Ni/Pd/Au引脚框架作为无铅焊接的一种可选方案，于1989年首先由德州仪器（TI）引进。其主要优势在于该技术适于商业应用，且封装工艺得以简化，良好的润湿性，多数应用于smt贴片打样加工。但是对大批量产品应用而言，Ni/Pd/Au解决方案不具备优势，主要原因在于其成本较高，而且根据现有资料记录，该方案存在可靠性问题。此外，镀层在弯曲时会发生断裂，而且在焊接、引线接合和成模时也存在间题。和金成本高且难以预计，引脚框架的供货商数量也有限，这些都是该方案的劣势所在。

2、器件引脚镀层

器件引脚镀层的可焊性随着镀层厚度的增加而增加，当镀层厚度小于5μm 时，因为镀层太薄，再加上表面生成的氧化物层的影响，可焊性较差，无法达到焊接要求；但随着镀层厚度的增加，上述的影响会逐渐减少，故润湿时间降低，镀层的可焊性不断提高。所以只有镀层达到一定的厚度时，才能保证镀锡层良好的可焊性。一般来说，在没有表面氧化膜的前提下，镀锡层厚度为7μm～16 μm，就基本能达到可焊性的要求，镀层在7μm～15μm间就满足可焊性要求。

二、焊接参数

1、温度

我们以XILINX公司的 XCF型SOP为例,通过以手工焊接温度、是否预热、是否搪锡为变量进行焊接试验，焊接试验完毕后进行温度循环和振动试验，然后进行金相切片分析，分析结果见表1，从表1中可以看出在预热情况下，手工焊接温度达到310 ℃时，焊接的效果最好。

2、焊锡的爬升高度

焊料爬升高度对器件的可靠性影响是多方面的，当焊料爬升低于L形引脚高度的一半时，焊点不可靠，而且对于纯Sn镀层器件，焊料爬升高度太低会加速Sn须的生长。

由于焊点尺寸细小，现有试验手段无法监测焊点的内部应力，本文利用三维整体/局部有限元模型相结合的方法，进行SOP焊点在近似试验载荷条件下的应力应变三维有限元数值模拟，器件整体和焊点局部的有限元三维实体模型利用UG进行建立。

我们通过有限元模拟结果来观察焊料爬升高度不同时焊锡上承受应力的区别，当焊锡爬升高度超过L形引脚高度一半距离时，整个焊点的最大应力是709.5 kPa；当焊锡爬升高度低于L形引脚高度一半距离时，整个焊点的最大应力增大到1 547 kPa，可见，焊锡爬升高度加大有助于焊点上极限应力的降低，大大提高了焊点的可靠性。

3、搪锡

在可接受的焊接温度下，器件是否搪锡，其形成的合金层Cu6Sn5厚度会有所不同，但合金层厚度只要在0.5 μm～5 μm之间就是符合要求的，但其应力分布有所差异，合金层Cu6Sn5的厚度由2.28 μm减小为1.11 μm后（都在0.5 μm～5 μm安全范围间），合金层的应力变大，由于合金层Cu6Sn5具有硬而脆的性质，在合金层处断裂的概率增大。

三、焊盘

焊盘的镀层材料和尺寸对器件的可靠性有着很大的影响, 当器件引脚是Cu基体镀纯Sn，对应的焊盘最好为Cu基体镀PbSn, 当器件引脚为Cu基体外层镀Ni，最外层镀纯Sn，对应焊盘最好为Cu基体外层镀Ni，最外层镀金。

焊盘宽度一般为芯片引线中心距的1/2,不同芯片规格的焊盘宽度设计可以参考以下尺寸：

不同芯片规格的焊盘宽度设计参考尺寸（单位mm）

焊盘长度不应过长（易引起连焊）或太短（易引起虚焊或焊锡爬升达不到要求，尤其是对于无铅镀层器件）。

四、结束语

元器件的焊接是一个复杂的物理、化学变化过程，影响其最终焊点可靠性的因数也非常多，本文针对小尺寸封装器件，从器件镀层、焊接参数、印制板焊盘镀层和设计几个方面说明了它们对焊点可靠性影响，并利用三维有限元数值模拟方法，首次对焊锡爬升高度对焊点极限应力影响做了分析，得出增大焊锡爬升高度可以大大提高焊点可靠性的结论。

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