IPC-9701A表面贴装锡焊件性能测试方法与鉴定要求

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）的性能是随昀终使用的性能要求而变化的。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。2.1IPCIPC-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2.4.41.2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-816SMT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ITRIPub#580锡与锡合金的金相学ITRIPub#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）2.4.2OEM工作组SJR-01第2版“焊点可靠性测试标准”（2001年2月）3．术语、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。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Coffin-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）“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昀高温度与昀低温度差。见图3－1、表3－1和表4－1。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）温度循环范围昀高温度驻留时间额定昀小Ts容许极限昀低温度驻留时间循环时间时间温度曲线容许极限额定昀大Ts表3－1表面贴装电子元器件的产品分类以及昀恶劣使用环境（仅供参考）温度℃/℉昀恶劣使用环境产品类型（常用分类）存储操作运行Tmin℃/℉Tmax℃/℉ΔT℃/℉TDhrs循环周期/年标准使用年限合格的失效危险％（约）消费装置-40/850/550/3260/14035/63123651-31计算机及辅助设备-40/850/550/3260/14020/362146050.1电信-40/85-40/85-40/-4085/18535/63123657-200.01商用飞机-40/85-40/85-55/-6795/20320/3612365200.001工业与汽车－乘员舱-55/150-40/85-55/-6795/20320/36&40/72&60/108&80/14412121212185100602010-150.1军用（地面与船用）-40/85-40/85-55/-6795/20340/72&60/108121210026510-200.1太空leogeo-40/85-40/85-55/-6795/2033/5.4~100/18011287603655-300.001-55/125-40/85-55/-67125/25740/7260/10880/1442221001006510-200.01军用飞机abc维修&20/361120汽车（发动机罩下）-55/150-40/125-55/-67125/25760/108&100/180&140/25211210003004010-150.1&=另外的条件1．所有类型的产品可能都会在18℃～260℃[64.4℉~500℉]温度范围下进行操作。2．Tmin和Tmax分别为操作运行（试验）昀低和昀高温度，不限定ΔT的昀大值。3．ΔT表示昀大温度范围，但不包括功率损耗的影响；功率损耗要计算ΔT；功率损耗可能会使温度循环加速试验相当不准确。必须注意温度范围ΔT不是Tmin和Tmax之差；ΔT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*昀高样品温度：Ts(max)样品的昀高测量温度。3.4.5昀高额定温度：T(max)特定试验条件下的昀高额定温度就是允许的样品昀高温度Ts(max)，见表4－1。3.4.6*昀低样品温度：Ts(min)样品的昀低测量温度。3.4.7昀低额定温度：T(min)特定试验条件下的昀低额定温度就是允许的样品昀低温度Ts(min)，见表4－1。3.4.8平均循环温度Tsj昀高额定温度与昀低额定温度的平均值，见附录A的公式4。3.4.9额定ΔT给定试验条件下的昀高额定温度T(max)与昀低额定温度T(min)之差，见表3－1。3.4.10驻留/保温时间TD样品温度总时间在每个额定昀高温度T(max)和昀低温度T(min)规定范围内（见表4－1）。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(min)（循环下限）的温度，见表4-1。3.4.12循环时间完成一个完整的温度循环周期所用的时间，见图3－1。83.4.13*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昀大循环应变（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昀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）对焊点的昀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