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用底部填充材料提高无铅跌落测试的可靠性

与锡铅合金相比，产业界对锡银铜（SAC）合金的可靠性仍然存有疑虑。我们已经研究并且解决了无铅焊点失效方面一些未曾预料到的问题。值得一提的是，由于热膨胀系数（CTE）失配而造成的无铅焊点失效问题，可以通过某些类型的底部填充材料来解决，这些材料不仅能够提高产品的稳定性，而且还可以减轻元件受到的应力。
[size=2]      在超出热循环的范畴，在无铅焊点可靠性方面会提出其他的问题，特别是对于手持产品内的芯片尺寸封装（CSP）元件和晶片级芯片尺寸封装（WLCSP）元件。随着电子制造业越来越熟悉使用无铅工艺生产的元件的情况，新的数据表明，使用柔软性、模数、断裂韧度和粘性都更出色而且非常耐用的底部填充材料，在跌落测试过程中，能够很好地保护先进的CSP元件。由于功能的增加使得元器件空间使用达到极限，间距更小，这会加大出现失效的可能性。在这种情况下，即使是用无铅工艺制造的产品，最终用户也希望这些产品是可靠的。正是人们的这些要求迫使电子产品制造商不断寻找新的解决办法来保证设备的可靠性；使用耐用的底部填充材料是达到这些目标最的有效措施。

[b]无铅的特性与直觉相反[/b]
       当电子行业开始着手研究无铅制造时，人们相信通过这方面的研究能够得到更可靠的焊点。对锡银铜的大量测试表明，锡银铜合金的强度在锡铅合金之上（图1）。 [/size]
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[size=2][color=#666666][img]http://www.shebei114.cn/UploadFile/200691410443993.bmp[/img][/color][/size]
[size=2][color=#666666]图1 锡铅合金和锡银铜合金的应变曲线。[/color][/size]

[size=2]    锡银合金的抗蠕变强度是锡铅合金的两倍（表1）。因此，如果把焊料合金的各种特性作为焊点可靠性最主要的指标，大家会认为无铅组装的可靠性更高，但事实并非如此。大量的合金测试证明这些并不代表无铅组装更加可靠。为了得到关于无铅焊点牢固程度的全面知识，必须把其他因素也考虑进去，例如，设计、材料的选择和工艺的变化。
     在考虑到这些因素时，数据显示，由于CTE失配，很可能会造成无铅焊点失效，对于阵列式封装元件来说，更是如此。由于CTE失配而产生的力会使焊点更容易破裂，因此，焊点有一些蠕变并不是什么坏事。由于无铅的峰值温度较高，而且无铅合金的延展性较低，容易引起电路板变形，更有可能会造成焊点失效和破裂。某些类型的封装，例如SOIC和QFP，由于元件的引脚可以弯曲，因此可以防止这种情况的出现，但是，芯片型封装元件的扭曲非常有限。当电路板出现变形时，CSP元件上的焊点比较容易破裂，除非有对策来降低焊锡球中的应力。使用底部填充材料能够把应力分散到CSP的整个表面，降低集中在焊点上的应力，可以更好地保护元件和焊锡球。
虽然我们已经完成了这项工作中的绝大部份，证明可以使用底部填充材料来提高热循环的可靠性，但是，对便携产品的用户来说，跌落测试或者物理冲击可靠性的重要性丝毫不亚于热循环的可靠性。新的数据证明在下一代底部填充材料中，某些类型的底部填充材料不只是减轻由热循环造成的焊点应力，它能够更好地的保护焊点。
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[size=2][b][img]http://www.shebei114.cn/UploadFile/2006914104513285.bmp[/img][/b][/size]
[size=2][b]无铅CSP跌落测试可靠性[/b]
     根据无铅的特性，无铅焊点比锡铅焊点更脆弱1。正因为如此，当受到外力的情况下，例如跌落，无铅焊点比较容易破裂和破碎。在移动电话、PDA、MP3播放器和其他移动通讯设备中，这种情况经常会发生。这些产品通常使用间距非常小的元件，显然，在这些产品中无铅焊点出现失效的情况是不可避免的。
底部填充材料能够为CSP元件提供良好的可靠性保证，解决了温度较高的无铅工艺引起的失效，正因为如此，新的测试表明某些类型的底部填充材料还可以防止在跌落过程中由物理冲击而造成的失效。

[b]锡铅与无铅的跌落试验可靠性[/b]
      对传统的锡铅焊点与无铅焊点的早期对比测试中，是用间距为0.5mm、尺寸为8mm的CSP元件（输入/输出为132，布置成三排）进行跌落试验的，从六米的高度跌落到不锈钢上。使用的锡铅焊膏是Sn63，无铅焊膏是SAC387。为了评价底部填充材料提供的保护作用，针对锡铅和无铅两种焊点，在CSP没有底部填充材料、在CSP下面填入上一代底部填充材料以及在CSP下面填入新一代柔性底部填充材料三种情况下，进行了测试。测试结果表明，锡铅焊点的可靠性高于无铅焊点，同时证明填充材料可以显着提高无铅焊点的可靠性。从测试数据可以看到，老的底部填充材料可以提高无铅焊点的可靠性，而新一代材料能够吸收更多的物理冲击力，从而可以为某些产品提供更有效的保护（图2）。我们根据跌落测试数据来评估焊点的寿命参数（寿命参 数定义为元件失效达到63.2%的点），则再一次证明，含有助焊剂的新一代较柔性的底部填充材料的性能比老一代硬度较高的底部填充材料更好。



[b]用于跌落测试标准的通用平台[/b]
      一些实验室使用上面所介绍的测试方法进行跌落试验，测试可靠性。每一家电子制造商制定了自己的跌落测试要求，因此，要想找到一种可以用来比较相似或者相近的材料和产品的方法几乎是不可能的。所以要对材料和产品进行有效、平等的评价，是不可能的。因此，制定了JEDEC JESD22-B111跌落测试标准。整机制造商（OEM）、电子产品合同制造商（CEM）和材料供应商都可以按照这个标准进行有意义的对比试验。
根据定义，JEDEC JESD22-B111为便携电子产品提供了一个通用测试平台，满足消费者和便携电子市场的需要。这些产品比较容易掉到地上，在电气方面出现故障，可能会出现各种不同情况的问题，其中包括元件和电路板之间的焊点出现破裂。这种测试方法可以提供一个标准的测试板用，用脉冲宽度和重力表示跌落测试参数。用这样的方法，用户能够知道在根据技术规范2进行测试时施加到各个位置上的力。

[b]无铅WLCSP跌落测试可靠性[/b]
      我们针对无铅WLCSP元件的跌落测试可靠性做了更多的分析。对间距为0.4mm、输入/输出引脚为192个、尺寸为7×7mm的WLCSP，用SAC305焊料，按照JEDEC 22-B111标准进行测试。和前面对CSP元件进行的试验一样，在底部使用填料可以大幅地提高WLCSP无铅焊点的可靠性。这种新一代柔性底部填充材料具备老一代硬性底部填充材料所没有的优点[/size]
[size=2]     传统的底部填充材料能够为无铅焊点提供一定程度的跌落试验保护，由于填入传统的底部填充材料能够降低材料的CTE，因此能够改进热循环的可靠性。但是，这些材料较硬、较容易破裂，因此有必要研制新的材料，来吸收更多的物理冲击力，提高产品的可靠性。前面所引用的测试数据表明，改进新一代底部填充材料的柔软性、模数和断裂韧度可以大幅度地提高保护作用。

[b]结论[/b]
无铅制造将成为电子行业的标准。但是，关于无铅焊点可靠性和长期稳定性，仍然有很多问题有待解决。某些元件，例如CSP，最初设计成是没有底部填充物的。在它们与无铅工艺有关的性能方面，最近的发现表明，我们需要从新的角度来看待焊点可靠性的改善。已经证明底部填充材料在保护无铅焊点防止热循环而造成失效方面的价值。对于便携式移动通信产品中使用的CSP和WLSCP元件，新一代底部填充材料显示了它在提高跌落试验可靠性方面的作用。
消费者一定在继续不断地提出更高的要求，他们要求在更小的产品中实现更多的功能。这将向传统的锡铅工艺发出挑战：缩小元件的尺寸、减少引脚的间距，同时，还要考虑无铅制造方面的要求，要实现这些要求，变得更难。要满足用户的这些要求，要靠这些以新一代柔性底部填充材料为代表的新材料技术，它克服了那些曾经被视为不可逾越的障碍。现代的材料开发商必须看到将来生产制造的需要，并且针对先进的技术所提出来的新挑战提出富有创造性的解决办法。只要他们这样做，消费者将充分体验到今天复杂的电子产品所带来的可靠性、先进的功能以及方便的好处。

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Thanks!

谢谢楼主提供的资料，继续等待楼主多一点的分享。:002