基于可靠性测试的PCBA的失效机理及数值模拟研究.pdf

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1、 论文题目 基于可靠性测试的 PCBA 的失效机理及数值模拟研究 学 科 专 业 机械设计及理论 指 导 教 师 黄洪钟 教 授 作 者 姓 名 卢莲娜 学 号 200720801050 分类号 密级 UDC1注 学 位 论 文 基于可靠性测试的 PCBA 的失效机理及数值模拟研究（题名和副题名）卢莲娜（作者姓名）指导教师姓名 黄洪钟 教 授 电子科技大学 成 都 （职务、职称、学位、单位名称及地址）申请专业学位级别 硕士 专业名称 机械设计及理论 论文提交日期 2010.04 论文答辩日期 2010.05 学位授予单位和日期 电子科技大学 答辩委员会主席 评阅人 2010 年 月 日 注 1

2、：注明国际十进分类法 UDC的类号。独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：年 月 日 论 文 使 用 授 权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部

3、分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：年 月 日 摘要 I 摘 要 可靠性实验是在产品大规模生产前或大规模生产过程中进行的，以保证产品投入大规模生产的质量和可靠性。产品失效模式的研究，对改进生产工艺、来料质量、设计等具有十分重要的意义。本文针对电子产品组装印制电路板（PCBA）级的可靠性测试，以球珊阵列封装（BGA）、微型薄片式封装（TSOP）、印制电路板（PCB）为研究对象，通过不同的加速热循环可靠性实验的对比，研究了无铅焊点的可靠性及主要失效模式和 PCB 的失效模式。主要研究内容如下

4、：1以 TSOP 为研究对象，通过切片实验、光学显微镜观察、电子扫描显微镜观察、引脚拉拔等手段，发现样品的失效模式及失效机理，并用有限元模拟研究焊点的疲劳寿命。2以 BGA 为研究对象，通过对比不同的加速热循环（ATC）实验和切片实验、光学显微镜观察、电子扫描显微镜观察等，研究 BGA 的失效模式。3 以 PCB 为研究对象，通过对返厂维修产品的检测和切片等实验，研究 PCB的失效模式。研究结果表明：1 温度为 0-100C 的 ATC 实验和有限元仿真都被用于 TSOP 无铅焊点电子封装的研究。在加速热循环实验（ATC）1000，1250，1500 循环后，功能测试检测到样品的失效。做失效分

5、析实验，包括光学显微镜观察、切片实验、电子扫描显微镜观察。由于热膨胀系数的不同，导致了焊点的开裂，电性失效。有限元模拟验证了应力集中在焊点处，导致了在热循环后的焊点的开裂。有限元模拟计算出的 TSOP 的疲劳寿命为 3181 循环，比实际 ATC 实验得出的寿命较大。2通过不同温度循环的引脚的拉拔实验，得出失效模式有焊点被拉开和焊盘被拉开两种方式，实验发现，随着温度循环数的增加，平均拉拔力减小，且温差越大拉拔力减小的速率越快。3 通过两种 ATC 实验发现，同等温度循环数下，焊点在-40C 到 125C 的温度循环下，开裂严重，温度对焊点的影响是很严重的。通过实验发现的失效模式包括，焊盘底部树

6、脂开裂、焊点开裂、焊点严重收缩等。4用扫描电子显微镜观察焊点的金属间化合物（IMC）的厚度，发现 IMC 的厚度随温度循环的增加呈增大趋势，而且温差越大 IMC 的厚度增加的越快。II 5研究三种 PCB 失效，通孔开裂，PCB 焊盘底部树脂开裂，刻蚀不足，用返厂维修 PCBA 典型的例子验证了失效分析和可靠性测试的必要性。6由于高密度的封装，电镀质量的薄弱和铜腐蚀导致了通孔开裂，使返厂维修率很高。由于钻孔工艺表面不光滑，电镀铜的厚度没有达到标准，通孔内的化学残留物和铜反应，腐蚀镀铜。因此，开裂从最薄弱的位置开始延伸到整个通孔。PCB 焊盘底部树脂开裂在第一次返厂维修和重复的返厂维修都有发现，

7、PCB来料问题是导致可靠性低的主要原因，而且不能承受正常的和返修的回流次数。通常焊盘缩孔发生在用户使用阶段，PCB 刻蚀不足同样也是一个重要的来料问题。腐蚀引起的枝晶生长，使相邻的元件间很容易发生短路。本文的研究成果对电子产品的失效分析有重要作用。关键词：关键词：可靠性测试、失效分析、焊点开裂、PCB 焊盘下树脂开裂、疲劳寿命 ABSTRACT III ABSTRACT Reliability testing should be done both in the research and design process and in mass production to ensure the q

8、uality and reliability of products.The research on failure analysis plays an important role in process improvement,incoming material and design.In this thesis,reliability testing of printed circuit board assembly(PCBA)has been done.Failure analysis of ball grid array package(BGA),thin small outline

9、package(TSOP),and printed circuit board(PCB)have been investigated.By comparing different accelerated thermal cycling(ATC),failure mode and mechanism of lead free solder joint have been investigated.The researches are listed as below.1.For TSOP,cross section,optical inspection,scanning electron micr

10、oscope(SEM),and lead pull have been used to detect failure mode and mechanism.Moreover,finite element analysis(FEA)has been used to determine fatigue life.2.For BGA,through comparison of different ATC,cross section,optical inspection,and SEM have been used to get failure mode.3.For PCB,the function

11、test and failure analysis of field return products has been used to detect the failure mode.The results and conclusion can be summarized as following:1.In this study,0-100C ATC test up to 1500 cycles and FE simulation were conducted for lead-free electronic assemblies of TSOP solder joints.After ATC

12、 cycles of 1000,1250 and 1500,failures were detected by functional tests.The failure analysis experiments were performed with optical inspection,cross section and SEM.It was found that due to CTE mismatch,serious crack in the bulk solder occurred and caused electrical open.FEA has confirmed that the

13、re was substantial stress concentration in the solder layer,which matches well with the crack location in the experimental study.The calculated fatigue life of TSOP solder joint is 3181 cycles,which is much higher than measured one in the ATC experiment.2.Through different temperature cycling of lea

14、d pull experiment,lead pull test was done to detect failure mode.Broken solder joint and pad lifted were found as two failure modes.It was found the pull force decreased along with the experiment cycle.ABSTRACT IV 3.After different ATC of-40 to 125C,serious crack was found in solder joint.The failur

15、e mode contained PCB prepreg crack,solder joint crack,severe void and shrinkage,and so on.4.The intermetallic compound(IMC)thickness of solder joint increased with thermal cycles.Moreover,the thickness increased faster with a lager temperature range.5.Three commonly encountered PCB defects:via hole

16、crack,prepreg crack and insufficient etching are discussed within typical examples from field returned PCBAs and units after reliability testing.6.It was found that due to the high aspect ratio of holes for the high density application,weak plating quality and copper corrosion attribute to the via h

17、ole crack,resulting in a high field return rate.The copper plating thickness is not up to standard due to the rough barrel surface after the poor drilling process.The chemical residues inside the via holes react with copper oxides and etch away the plating.Therefore,crack initiates at the weak plati

18、ng locations or corroded points and then propagates across the whole via hole.The PCB prepreg crack is found to be another problem associated with the high rate of the first return and repeated return.The organic prepreg material degrades to an acceptable level of poor quality,which cannot withstand

19、 normal reflow and rework cycles.Consequently,pad cratering occurs in the field service.Insufficient of copper trace on PCB is also found during the incoming quality control.This increases the risk of circuit short due to corrosion induced dendrite growth between adjacent conductors for fine-pitch l

20、ead-free application.The research is meaningful for the failure analysis of electronic products.Key words:reliability testing,failure analysis,solder joint crack,PCB prepreg crack,fatigue life 目录 V 目 录 第一章 绪论.1 1.1 课题研究依据和意义.1 1.2 课题研究背景及研究现状.1 1.2.1 可靠性测试与失效分析的国内外研究现状.2 1.2.2 疲劳寿命预测研究背景.4 1.3 课题研究思

21、路及研究路线.4 1.4 主要研究内容和学术价值.5 第二章 基础理论.6 2.1 电子产品可靠性测试理论.6 2.1.1 可靠性试验的目的与内容.6 2.1.2 可靠性试验的分类.6 2.1.3 高低温循环测试.7 2.2 失效分析流程.7 2.3 典型失效模式分析的技术手段.10 2.4 寿命预测理论.11 2.5 本章小节.12 第三章 温度循环下 TSOP 焊点开裂.13 3.1 加速热循环实验条件.13 3.2 TSOP 深度失效分析.15 3.3 有限元模拟.17 3.4 本章小节.20 第四章 温度循环下 TSOP 引脚拉拔.21 4.1 温度循环下 TSOP 引脚拉拔实验的建立

22、.21 4.2 实验 1 引脚拉拔实验数据总结.23 4.3 实验 2 引脚拉拔实验数据总结.28 4.4 不同实验的数据对比.30 4.5 本章小节.30 目录 VI 第五章 两种温度循环下 BGA 焊点开裂.31 5.1 加速热循环实验条件.31 5.1.1 实验设备简介.31 5.1.2 实验曲线及计划.32 5.2 不同温度循环下 BGA 焊点切片实验对比.34 5.3 不同温度循环下焊点染色对比.35 5.4 扫描电子显微镜下图像对比.42 5.5 本章小节.43 第六章 高密度电子封装下 PCB 失效.44 6.1 背景简介.44 6.2 PCB 通孔开裂.44 6.3 PCB 焊

23、盘底部树脂开裂.47 6.4 PCB 刻蚀不足.50 6.5 本章小节.52 第七章 全文总结与展望.53 7.1 主要结论.53 7.2 今后研究设想与展望.54 致谢.55 参考文献.56 攻硕期间取得的成果.61 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题研究依据和意义 随着电子产品发展的日新月异，各种新材料、新工艺和新型器件层出不穷，使得 PCBA 的集成度和复杂化程度在不断提高1。于是，电子产品的的失效模式与机理也在相应地更新，对广大电子工程师提出了严峻的挑战。与此同时，对于电子产品的失效分析和可靠性评估也变得越来越困难，越来越依赖于先进的分析设备及有效的分析手段。在产品大批量生产

24、前，做可靠性实验评估产品的可靠性，以满足客户及顾客的要求。因此，本课题将一种先进的典型 PCBA 作为研究对象，拟采用多种试验和理论分析方法，探讨其在各种载荷条件下的失效模式与机理。PCBA 及其电子元器件的失效模式很多，如程序功能失效、金属的电迁移、芯片崩裂、金线键合失效、塑封破裂分层和空洞、焊点断裂等2。本课题将研究在各种可靠性测试下 PCBA 及典型元器件的失效模式与机理，并用有限元软件仿真模拟验证失效模式的合理性。测试是从 PCBA 级的循环高低温测试开始的，在不同的热循环数选取样品，通过失效分析实验验证产品的可靠性。此研究对典型的先进 PCBA 及电子元器件的失效分析将具有重要的参考

25、价值。1.2 课题研究背景及研究现状 由于近年人们对 PCBA 和电子元器件可靠性的要求日益苛刻，对电子产品进行可靠性测试以尽早发现其缺陷已是必然趋势。加速测试是指对所研究的对象施加严酷于其正常工作条件的应力载荷，使其在短时间内出现失效的分析方法。各种加速测试方法，都是基于不同的电子产品类型和适用条件，经过大量专家长时间的统计和经验累积而得到一些增加应力的方法。通过加速测试可以使缺陷迅速显现，但是必须确保在正常工作条件下和加速测试条件下，失效模式和机理不变。对于 PCBA，常见的加速测试基于温度、湿度、机械强度、电流强度等变量，包括加速热循环、热冲击、周期开关、跌落、弯曲、温湿度及偏压测试、电

26、电子科技大学硕士学位论文 2 流加载测试等等。1.2.1 可靠性测试与失效分析的国内外研究现状 国内外在各种可靠性测试方面都有研究，其研究现状简要概述如下：在跌落过程中，焊料、焊盘的界面金属间化合物(IMC)内部可能发生脆性断裂。祁波等人通过进行球栅阵列（BGA）封装的高加速度跌落试验，研究了机械冲击和应力对无铅 BGA 焊点可靠性的影响，并通过对失效 BGA 焊点的微观结构和成分分析，确定了影响焊点可靠性的主要因素。他们的研究结果表明，焊点的失效模式较为复杂，而在多数情况下，其失效与焊接界面处的 IMC 层断裂有关3。刘芳对 BGA 封装的跌落进行了实验和理论模拟分析，发现 BGA 外围 4

27、 个拐角处焊点拉应力最大，易失效，是关键焊点：最大拉应力均位于焊点靠近封装一侧，说明靠近封装一侧焊点部位容易开裂失效。随着跌落高度的增加，PCB 板中心处挠度和关键焊点的最大拉应力相应增大，焊点越易失效。有限元模拟结果与跌落试验后金相分析结果吻合，验证了跌落碰撞下 PCB 组件有限元模拟的正确性4。H.C.Hsu 等人用 input G 方法对层叠芯片跌落进行建模，用点激振法和子模型技术相结合研究了电子封装板级跌落实验的瞬时动态响应，通过有限元模拟发现在靠近板边的最外层焊点最先失效5,6。其他的一些学者也纷纷认为，IMC 界面脆性断裂是焊点加载应力时的一种主要失效模式。并且，对于坚固的焊点合金

28、，在高应变率加载下，其瞬时动态响应接近于线性弹性模式7。加速热循环和热冲击实验是评估焊点可靠性的两种典型方法。在温度循环下，焊料的疲劳和蠕变变形导致在焊料内部萌生裂纹8。苏喜然等发现，板上倒装芯片(FCOB)器件在热循环(-55C-125C)载荷作用下，底充胶与芯片界面最易出现分层，分层扩展的位置都在该界面的边缘拐角处；如果分层导致底充胶开裂，开裂的方向大约是 35 度9。Y.S.Chen 等认为，热循环老化相比于加速冲击老化，其剪切强度大幅度下降。热冲击老化比热循环老化的 IMC 界面层增长率较快，而且，两种老化时 IMC 界面层的增长率都比高温(125C 时)等温老化的要快10。可靠性试验

29、的热应力可导致底层填料与芯片之间出现分层。底充胶分层虽然不是焊点失效的主要原因，但是分层的出现会导致焊点寿命明显下降。程波认为，分层的出现与否取决于界面粘合强度和应力的竞争，因而由封装构型及材料特性决定11。Y.Uegai 等人通过热老化测试确定了一种焊点裂纹增长方程，进而评估了焊点的寿命12。X.Q.Lin 发现，塑料封装的底充胶模型与无底充胶模型相第一章 绪论 3 比，其寿命有所提高13。SnAgCu 焊料焊接层中的空洞率明显高于 SnPb 焊料，这可能与 SnAgCu 焊料可焊性较差有关。鲍秀峰发现，焊料厚度增加时，焊点的空洞率会下降，而焊盘或器件的镀层氧化时，空洞率会增加。但是总的来说

30、，除了焊料的种类和焊盘镀层种类，其他因素的影响都不显著，最大的空洞率也不超过5%。对不同空洞率对可靠性影响的试验研究发现，焊接层中空洞较大的样品不论是空洞的生长还是分层及疲劳裂纹都比空洞率较小的样品失效严重，可见空洞对焊接层的可靠性有一定的影响。但是空洞率的范围是 33%-48%的试验样品的寿命超过了 2500 个热冲击周期。其间，尽管焊接层的焊料微观结构有明显的退化，但焊点整体仍然没有失效。焊接层中大的空洞虽然影响可靠性，但其依然具有较好的可靠性。这与模拟结果符合，即焊接层中的空洞率对焊接层的可靠性影响较小14。张杰主张，温度循环产生的交变应力是 BGA 焊点失效的主要原因，冲击载荷下，同一

31、个BGA器件上各焊点的应力与焊点的位置密切相关，远离对称中心的焊点是承受最大应力应变的关键焊点；BGA 焊点上最易出现失效裂纹的区域是关键焊点靠近 PCB 基板一端的外侧区域15。焊点疲劳寿命通常是通过电子组件进行温度循环加速试验来确定。温度循环后产生裂纹，主要是失效部位为焊点的根部焊料与引线的界面处16。Y.S.Chen 对 BGA 进行了弯曲和剪切可靠性实验，对三种不同焊料 SnPb37,SnAg3.0Cu0.5 和 SnAg4.0Cu0.5 的对比分析表明，SnAg3.0Cu0.5 焊料更可靠10。顾永莲对两种典型无铅焊球(Sn95.5Ag3.8Cu0.7,Sn96.5Ag3.5)与含铅

32、焊料(Sn37Pb)的热应力应变分布比较，得出 Sn95.5Ag3.8Cu0.7 焊点的等效应力应变最大值小于Sn96.5Ag3.5 焊点与 Sn/37Pb 焊点，为电子焊料无铅化材料体系的选择提供了一定的理论依据17。P.L.Tu 在对陶瓷基板球栅阵列（CBGA）封装在 300 到-300的弯曲测试中，发现层裂失效发生在陶瓷基板和金属层的交界处，微BGA焊点的层裂失效也发生在基板和铜焊盘的交界处18。底充胶失效样品焊点的裂纹都主要出现在焊点与芯片的界面上，焊点的初始形状保持较好。值得指出的是，程迎军认为，对于采用多层积层基板的失效样品，断裂位置可分两种情况：有底充胶的样品，焊点的裂纹不仅存在

33、于焊点与芯片的界面上，也有出现在焊点与基板焊盘的界面上，而且焊点的变形较为严重19。Karppinen,J.等人对 ATC 测试后，发现产生的应力几乎是周期开关机（PCT）的两倍。PCT 的主要失效模式和加速热循环测试相同：焊点裂纹并沿着焊点连接处扩展20。T.H.Wang 等人通过实验发现 PCT 促进了样品的金属间化合物反应层的增长21。Herrmann,T.等人通过研究发现 PCT 测试中次要的失效机理是电迁电子科技大学硕士学位论文 4 移。相比于传统的TS测试，PCT为电子装配提供了一个更现实更苛刻的应力环境22,23。S.Y.Yang 等人发现相对低温环境的 PCT 测试的锡银铜焊点

34、比锡铅焊点寿命更长24,25。Jian Zhang 等人通过研究得出结论通过 PCT 测试，尽早发现不良，有利于在电子产品的规划阶段做出从设计和生产工艺方面的改进26。H.Y.Basaran 等人通过电流加载在倒装焊焊点上，发现有电迁移现象，正极积聚大量迁移物质，负极出现空洞。实验结果表面，电迁移的失效机理是产生的焦耳热使产品散热不良27。M.J.Yim 等人对倒装焊电流加载从而发现由热引导的老化机制28。Jianwei Zhou 等人在电流过载测试后，发现器件表面烧毁29。1.2.2 疲劳寿命预测研究背景 由于欧盟立法的限制在电子电气产品中使用有害物质的指令和电子电器废弃物（RoHS and

35、 WEEE），在 2006 年 7 月无铅焊点以迅猛之势代替了有铅焊点。美国全国电子制造促进会(NEMI)推荐用无铅焊点，并且 Sn(3-4)Ag(0.5-1)Cu 焊点已经得到了广泛的应用，特别是 Sn3.9Ag0.6Cu 这种焊料，应用更加广泛。在电子封装朝着低成本、高密度、高性能、可靠性好、小间距的焊点发展的同时，在无铅应用方面备受关注。Qian 等人对锡铅焊点做过系统的研究，分别做以应力为基础和以能量为基础的焊点疲劳寿命预测30。Syed 提出了热疲劳模型，用幂次方程和双曲线本构方程对 SnAgCu 焊点建立累积应变和累积能量方程31。Che 等人对比了 PBGA，PQFP 和 TSS

36、OP 发现 PBFGA 焊点相对于其它两个对热疲劳更加敏感32。Ma 等人进行了一系列的无铅焊点和 Sn37Pb 焊点的对比实验，发现在同等温度老化和应力强度下，无铅焊点的蠕变率比Sn37Pb焊点高。但是，在常温下并没有发现无铅焊点的蠕变率比 Sn37Pb 焊点高33。Emerick 等人评估了 TSOP 封装的可靠性，发现引脚材料与焊点的热膨胀系数不匹配，导致焊点的高应变，从而降低了TSOP的可靠性34。Yoon等人发现无铅焊点系列和Sn37Pb焊点在板级机械可靠性方面是兼容的35。1.3 课题研究思路及研究路线 本课题的研究是基于加速热循环可靠性测试，研究对象是 BGA、TSOP 焊点和

37、PCB 的失效模式。采用多种失效分析方法，包括破坏性实验（切片、染色、扫描电镜、X射线能谱、引脚拉拔）检测 PCBA 经过可靠性测试失效后的失效模式。采用通用的 PCBA 焊点疲劳失效寿命模型来评估产品的可靠性，分析其失效模式第一章 绪论 5 和机理，借助有限元软件进行热仿真模拟计算焊点的疲劳寿命预测，以验证实验和理论分析结果。全文研究线路如图 1-1 所示。课题研究背景及研究现状基于高低温加速可靠性试验的失效模式返厂维修产品、其他可靠性测试的失效模式TSOP失效模式检测与疲劳寿命预测PCB失效模式检测总结第三章第四章第六章第七章BGA失效模式预测与不同实验对比TSOP引脚拉拔第五章 图 1-

38、1 全文研究线路 1.4 主要研究内容和学术价值 本课题将研究在各种可靠性测试下 PCBA 及典型元器件的失效模式与机理，并用有限元软件仿真模拟验证失效模式的合理性。此研究对典型的先进 PCBA 及电子元器件的失效分析将具有重要的参考价值。电子科技大学硕士学位论文 6 第二章 基础理论 2.1 电子产品可靠性测试理论 2.1.1 可靠性试验的目的与内容 可靠性试验是评价产品可靠性水平的重要手段。目前把测定、验证、评价、分析等凡是为提高产品可靠性而进行的试验，统称为可靠性试验。可靠性试验是开展产品可靠性工作的重要环节36。可靠性试验一般是在产品的研究开发阶段和大规模生产阶段进行的。在研究开发阶段

39、，可靠性试验主要用于评价设计质量、材料和工艺质量。在大规模生产阶段，可靠性试验的目的则是质量保证或定期考核管理。由于阶段不同，其目的和内容也不完全相同。可靠性试验所要达到的目的，可归纳为如下三点36：（1）通过试验来确定电子元器件的可靠性特性值。试验暴露出的在设计、材料、工艺阶段存在的问题和有关数据，对设计者、生产者和使用者都是非常有用的。（2）通过可靠性鉴定试验，可以全面考核电子元器件是否已达到预定的可靠性指标。这是电子元器件新品设计定型必须进行的步骤。（3）通过各种可靠性试验，了解产品在不同的工作、环境条件下的失效规律，摸准失效模式，搞清失效机理，以便采取有效措施，提高产品可靠性。2.1.

40、2 可靠性试验的分类 电子元器件常用的可靠性试验的分类方法很多。按照试验目的来分，可分为可靠性鉴定试验、寿命试验、筛选试验、耐久性试验、可靠性增长试验。按照试验地点来分，可分为现场试验和模拟试验(实验室试验)。按照试验项目来分，则可分为环境试验、现场使用试验、特殊检测和寿命试验等。也有按所施加应力情况来区分的各种可靠性实验。第二章 基础理论 7 2.1.3 高低温循环测试 温度循环是试验封装在一定时间内对极端温度变化的耐久性。温度通常以一恒定斜升率在一平均值内变化，接着保持一段停留时间。这一试验把封装暴露在机械应力下，着重暴露由于基片与封装材料之间热膨胀系数不同而引起的失效模式。当温度循环试验

41、结束时，要进行电测试和光学检查，以确定失效区。2.2 失效分析流程（1）查看失效信息 从系统里查询失效的信息，错误代码，以了解样品的失效位置，有助于进一步的分析验证。（2）收集并保护失效样品 保护失效样品，维持原状、完整无缺和真实，是保证失效分析得以顺利有效地进行的先决条件。（3）确认样品的失效信息 确认样品的失效是真正的失效，还是误测。失效的现象，是否可以复现，以保证后期失效分析的必要性。（4）制定失效分析计划 只有极少数的情况下，通过现场和背景材料的分析就能得出失效原因的结论。大多数失效案例都需根据现场侦察和背景材料的综合分析结果来制定“失效分析计划”，确定进一步分析试验的目的、内容、方法

42、和实施方式。在制定失效分析计划前要初步分析可以判断失效模式、确定失效原因和机理，失效分析的详细计划是围绕着失效信息进行的，因此，确定失效信息是一项非常重要的工作。失效分析计划由授权的分析人员制定，根据具体情况或要求，可由有关方面的代表参加讨论。失效分析试验过程通常包括以下内容：1）金相检查 2）化学成分分析 3）无损检测 4）材料性能测试 电子科技大学硕士学位论文 8 5）试样的宏观检查和分析 6）试样的微观检查和分析 对各项试验方案应考虑其必要性、有效性和经济性。一般宜先从简单的试验方法入手，如有必要时才进一步使用费用高的和较复杂的试验方法。从失效部件上和残留物上制取试件或样品，对于失效分析

43、的成败具有十分重要意义，务必要周密计划切取试样的位置、尺寸、数量和取样方法。应当特别强调，失效部件和残留物上具有说服力的位置和尺寸是十分有限的，一旦取样失误，就无法复原而完全丧失说明力，致使整个失效分析计划归于失败，造成不可挽救的后果。失效分析计划要留有余地，以便在个别试验中发现意外现象时，为了适应新的情况，可中途改变某些方法，或做补充试验。（5）执行失效分析计划 失效分析的各项试验应严格遵照计划执行，要有详细记录，随时分析试验结果。失效分析的试验一般具有几个不同于一般科研试验的特点，应特别予以重视：一般都要求在很短的时间内取得试验结果，因此既要保证按时完成、又要防止在匆忙中发生疏忽和差错。许

44、多失效分析工作涉及法律问题，为此，各项试验工作应建立严格的责任制度。试验人员在试验记录和报告上签名。试件、样品都要直接取自失效实物。一般不能用其它来源的试件样品代替。（6）综合评定分析结果 授权的失效分析人员，要经过充分的讨论，对现场发现、背景材料及各项试验结果做综合分析，确定失效的过程和原因，做出分析结论。综合分析，特别是在复杂的失效案例情况下，可来用故障树(Fault Tree）找其它形式的逻辑图分析方法。（7）研究补救措施和预防措施 失效分析的目的不仅限于弄清失效原因，更重要的还在于研究提出有效的补救措施和预防措施。补救措施和预防措施可能涉及设备的设计结构、制造技术、材料技术、运行技术、

45、修补技术、以及质量管理的改进，乃至涉及技术规范、标准和操作手册的修订建议。第二章 基础理论 9（8）起草失效分析报告 失效分析报告一般可不规定统一的格式，但行文要简练，条目要分明，内容一般应包括下列项目：1）题目；2）任务来源：包括任务下达者及下达日期，任务内容简述，要求的分析目的；3）各项试验过程及结果；4）分析结果失效原因；5）补救措施和预防措施或建议；6）附件（原始记录、图片等）；7）失效分析人员签名及日期。（9）评审失效分析报告 失效分析评审会的组织形式及其参加人员可由有关方面协商决定，一般宜由失效分析工作人员的上级评审。（10）提出失效分析报告 失效分析报告通过评审后，按评审决议修改

46、并制定成报告正式文本。简易失效分析流程如图 2-1 所示。电子科技大学硕士学位论文 10 查看失效信息收集失效样品核实失效模式不做破坏性实验失效分析报告破坏性实验YesNo找到根本原因?制定失效分析计划 图 2-1 简易失效分析流程 2.3 典型失效模式分析的技术手段（1）切片 金相实验既是最经典的研究方法，同时也是最有效的研究方法之一。通过研磨和抛光，然后根据需要选择不同倍数的光学显微镜和扫描电子显微镜进行观察，可以得到丰富的焊点精细结构，如焊点的几何构型、裂纹位置和尺度、焊点组织的变化、界面金属间化合物的形貌和厚度等。金相所提供的信息对分析焊点的失效机理具有十分重要的意义11。（2）染色实

47、验 染色实验是一个十分有效的研究焊点裂纹分布的方法。将待分析模块浸入特殊高渗透性、高着色性染料中，必要时可以提供一真空环境以帮助染色剂进入已经开裂的焊点区域并着色。然后将模块烘干，并采用机械方法掀开器件，观察断口形貌和颜色。存在预裂纹的区域可以观察到颜色而人为拉断的区域没有染色第二章 基础理论 11 剂，因而观察着色区域即可以得到裂纹在焊点内部的分布。（3）扫描电镜 扫描电子显微镜（SEM）是近三十几年才发展起来的一种精密的大型电子光学仪器。其基本原理是利用阴极所发射的电子束经阳极加速，由磁透镜聚焦后形成一束直径为 1几百 nm 的电子束流，这束高能电子束轰击到样品上会激发出多种信息。这些激发

48、出来的信息经分别收集、放大，就能从荧屏上得到各种相应的图像1。在半导体器件的失效分析中，可用电子像来观察芯片表面金属引线的短路、开路、电迁移、氧化层的针孔和受腐蚀的情况，还可用来观察硅片的层错、位错和抛光情况及作为图形线条的尺寸测量等。（4）引脚拉拔 引脚拉拔是一种机械拉拔微型薄片式封装引脚，查看失效模式，并测量拉力的实验。通过比较拉拔力的大小和失效模式，查看焊点的失效。（5）x 射线谱仪 x 射线谱仪包括 x 射线能量色散谱（能谱 EDX 或 EDS）仪和 x 射线波长衍射谱（波谱 WDX 或 WDS）仪。现代的扫描电镜中大部分都配有这两种装置，形成一套完整的电子探针分析系统。用这套系统既可

49、以看到样品的微观结构，又可以分析样品的化学成分，这给微观分析提供了极大的方便1。2.4 寿命预测理论 本文所参考的寿命预测方法是参考 Zahn 的方法37。从数值仿真结果可以得到塑性密度（塑性应变能量密度）每个循环的积累值，并作为一个计算疲劳寿命的参数。体积平均方法被用来计算塑性密度计算方法如方程（2-1）38,39。aveW是每个热循环积累的整个体积平均的非线性应变能量密度（有时相当于塑性应变能量密度），可以从方程（2-1）中得到。11niiiaveniiWVWV (2-1)iW是第 i 个单元的塑性能量密度；iV是第 i 个单元的体积；电子科技大学硕士学位论文 12 n 是单元总数。以能量

50、为基础的 Morrow 疲劳模型适合 Sn4.0Ag0.5Cu 焊点低循环的疲劳测试结果，寿命方程用公式（2-2）计算。21()CaveNCW (2-2)N 是寿命预测的循环数，用来预测第一次失效，中间寿命(50%样品的失效时刻)和典型寿命(1/3的样品失效时刻)。在这篇文章中，用典型寿命方法计算焊点疲劳寿命。2.5 本章小节 本章描述了电子产品的可靠性测试理论，失效分析流程及失效分析技术手段，寿命预测理论，为后续研究提供了理论基础。第三章 温度循环下 TSOP 焊点开裂 13 第三章 温度循环下 TSOP 焊点开裂 本章主要介绍加速热循环实验对微型薄片式封装（TSOP）的影响，通过切片、光学