1、通用晶体振荡器,用于各种电路中,产生振荡频率。
2、时钟脉冲用石英晶体谐振器,与其它元件配合产生标准脉冲信号,广泛用于数字电路中。
3、微处理器用石英晶体谐振器。
4、CTVVTR用石英晶体谐振器。
5、钟表用石英晶体振荡器。陶瓷或塑料封装的。
一、问题描述
某电子产品在热冲击实验后,出现功能失效。经smt贴片打样厂中的相关工程人员分析后,怀疑是晶振焊点开路,对此晶振元件进行重新手工焊接处理后,产品功能恢复正常。
此次可靠性热冲击试验条件如下:
Test Parameters |
||
Item |
Stage1 |
Stage2 |
Number of thermal shock cycles(cycle) |
200 |
1700 |
Chamber low temperature(℃) |
-40 |
-40 |
Dwell time at low temperature(min) |
15 |
15 |
Chamber high temperature(℃) |
+80 |
+80 |
Dwell time at high temperature(min) |
30 |
30 |
二、失效分析
1、切片分析结果
选取实验不良样品,对可能开路的smt焊点进行断面分析。从下面的切片结果来看,在焊点处出现贯穿性裂纹,因此导致了元件和PCB之间电气断路而引起功能失效。
2、SEM/EDX分析结果
对切片断面作进一步观察,发现开裂发生的部位是在焊点的中间部位也就是焊锡内部,而没有在元件或PCB焊盘界面处出现,这就是说开裂并没有发生在IMC层,而且IMC厚度测量值也没有超出常规经验值(约3—5um)。
三、改善方法
结合实验条件(冷热循环),可以初步判定焊点开裂属于在热冲击下的疲劳失效。根本原因是在循环热冲击下因为不同材料的热膨胀系数差异产生的剪切应力。
焊点所承受的剪切应力计算公式如下:
剪切应力公式
根据剪切应力的公式我们可以看出:剪切应力与DNP(L),温度差异(ΔT),CTE(Δα)呈正比,而与Stand-Off(h)呈反比;如果希望获得较小的剪切应力,提高焊点可靠性,就需要减小L、ΔT和Δα或增大h值。
L值与元件外形尺寸直接相关,元件属于外购件,这是一个与元件制造商相关的问题,是一个不可更改的因素。
温度差异与元件、PCB的材料属性有关,并且实验条件也不是随意更改,这些因素也导致ΔT是一个不可更改的因素。
FEA分析结果显示Standoff对热冲击循环有影响。h值理论上是可以通过制程进行微调整,可增加焊盘沉积的焊料体积来增加,但由于液态焊料的流动性,其实际改善效果甚微;通过实验分析发现,增大Stand-off值虽然可以提高了产品的耐循环热冲击次数,但还是不能够满足当前的1900个循环的老化测试要求。
Δα是由元件和PCB的材料属性决定的,单从材料属性来说这是一个不可更改的因子。如硅芯片的CTE、PCB基材环氧树脂的CTE、铜的CTE等,但可以考虑其它方法来减小与焊点相关的材料的综合CTE值。
大家都知道BGA封装类元件可以使用底部填充的胶来减少不同材料之间的CTE差异,进而降低焊点所承受的剪切力。smt贴片打样企业可以考虑采用同样的方法在晶振底部填充胶水提高smt焊点可靠性。
通过采用在此晶振底面加入适量的底部填充胶水,固化后进行热冲击实验,其实验结果改善很明显,没有采用底部填充的样品整个焊点已经开裂,而使用底部填充的样品只有微小的裂痕,电气功能正常。故底部填充有利于降低热应力影响,从而提高焊点的可靠性。
四、总结
1、冷热冲击产生的剪切应力可能会导致焊点开裂。
2、元件外形尺寸,封装材料CTE,焊接后的Stand-off对热应力大小有明显的影响。
3、通过FEA分析Standoff对热冲击循环有影响,可以通过增加锡量来增大Stand-off值以提高焊点承受剪切应力的能力。
4、底部填充可以改善焊点周围材料的综合CTE进而降低焊点的开裂风险。
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