低银无铅焊膏制备及板级封装部件跌落与振动焊点可靠性研究

Low Ag lead-free solder paste is a new type of low cost packaging materials under the background of lead-free electronic products and its high density situation. The project will be to develop a new paste flux for low-Ag lead-free solder and the solder powder in order to solve the poor wettability and oxidation for the low-Ag solder. According to the failures of typical solder joint shapes for board level package under the conditions of drop and vibration，by recording the fracture area in the joints, the change of joint resistance and electrical signal distortion parameters, the proportional hazard models will be used to analyze the influence of input acceleration power spectral density on the solder joint life distribution for different forms of joints. The emphasize well be focus on exploration the failure mechanism of interface intermetallic compounds for the joints of low-Ag board level packaging products during drop and vibration and evaluation the energy dissipation during failure process...The project will study the relationship between the increased joint resistance and the fracture area for attempting to establish an failure criterion based in energy loss, and the criterion associate with the acceptability judgment condition. The conclusion well provide a theoretical guidance for the reliability evaluation of low-Ag lead-free solder joints and a technical support of the project acceptance evaluation. It has important scientific significance and application prospects.

低Ag银无铅焊膏是电子产品无铅化和高密装连背景下提出的一类新型低成本封装材料。本项目将研制适合于低银无铅焊膏制备的膏状助焊剂和焊料粉体，解决低Ag焊料润湿性差和易氧化问题；针对板级封装典型焊点形态在跌落和振动条件下的失效问题，通过焊点断裂面积、电阻变化、电信号失真等参数的记录，运用比例风险模型分析输入加速度功率谱密度对不同形态焊点寿命分布的影响；重点探索低Ag板级封装焊点界面金属间化合物在跌落和振动下的失效机理，评定其失效过程中的能量耗损。..项目将采用试验型板级模板和实际产品板级部件进行跌落和振动试验，研究主控器件电信号失真和焊点电阻增加与焊点断裂面积之间的关系，企图建立一个基于能量准则并与现行可接受评判条件相关联的失效评定准则，为低Ag板级部件钎焊接头的可靠性评判提供理论指导，为低Ag无铅焊膏板级封装的工程可接受性评价提供技术支撑。具有重要的科学意义和应用前景。

目前，片式电子元器件与印刷板装连已经占到电子装连的70%以上。随着电子产品向超大规模集成化、微型化、高密化方向的发展，使得表面封装技术（SMT）成为当前电子装连的关键技术。在SMT 中，目前主流的无铅焊膏用合金属于SnAgCu 系，Ag 的重量比含量都大于3.0%，而Ag 是一种贵金属，储量稀少，低Ag 无铅焊膏在未来SMT封装材料的应用中具有明显潜在优势。此外，电子电路在服役过程中，一个焊点的破坏往往会对整个电子电路造成失效，因此，板级封装焊点在服役过程中的失效现象及使用寿命需要深入研究。基于上述背景，本课题通过正交试验获得了用超声雾化技术制备无铅钎料粉体的最优工艺参数，当液态钎料出口温度为340℃、熔化炉炉腔内氮气压力为1.2MPa、雾化室氮气进风量为2.1m3/min、超声雾化头振幅为7.5μm时，可以获得约65.6 kg/h的出粉率，且质量分数为94%的粉体粒径不大于75μm，粉体中氧的质量分数保持在64×10E-6以下。. 针对低银SAC系、低温Sn-Bi系无铅焊料，结合应用性盒装焊膏及点涂焊膏，提高焊膏润湿性和抗塌落性、降低焊后残余量、提高焊膏活性、降低焊后腐蚀性、提高焊膏铺展率、改善润湿性。焊膏印刷质量良好，可焊性较强，空洞率低于10%，焊球试验评定为1级；润湿性试验评定为2级；塌陷度为0.15mm，腐蚀性小。SAC305焊膏的合适工艺窗口为峰值温度在焊料熔点以上20-30℃，熔点以上驻留时间60-80 s，温区设定温度分别为190，210，230，260，285，300，280，265℃。. 银含量对IMC层厚度影响显著，银含量越高、IMC层越厚，并且钎焊接头静态拉伸强度随之升高。从元器件功能性角度出发，建立电压变化和板级无铅焊点失效的联系，对比分析在低冲击/振动载荷下IMC层仍为主要失效位置，PCB板塑性变形是焊点失效的主要原因；热循环使基体金属间化合物粗化，提高跌落寿命。但在时效过程后，界面处形成空洞加速裂纹扩展加速失效过程，降低跌落寿命。基于跌落冲击加速度和跌落寿命之间的关系建立了条件概率密度分布曲面模型，可反映跌落冲击寿命随冲击加速度变化而产生的变化趋势。