JESD22-B117A 锡球剪切

JEDECSTANDARD

Solder Ball Shear

锡球剪切

JESD22-B117A

(Revision of JESD22-B117, July 2000)

OCTOBER 2006

JEDEC SOLID STATE TECHNOLOGY ASSOCIATION

测试方法B117：锡球剪切

（从JEDEC委员会选票及JCB-06-37制定下，对包装设备的可靠性试验方法由JC-14.1小组委员会认定。）

1 范围

这种测试方法适用于焊球结束前使用的附着物剪切力测试。焊球分别剪切;力量和失效模式下的数据收集和分析。在本文件包括低速和高速测试。

这个试验的目的是进行评估锡球能够承受机械剪切的能力，可能在器件制造、处理、检验、运输和最终使用的作用力。焊料球剪切是一种破坏性试验。 2 术语和定义

剪切力：适用于一个方向平行于设备平面到焊料球的力量。 测试仪器：测试仪器用于应用剪切力焊锡球。

剪切工具：一个刚硬的工具，直接对着在焊球剪切（见图1）。剪切工具集成了传感元件，使剪切力可以测量。

剪切工具支架：设备平面和剪切工具刀之间的距离（见图1）。 夹具：剪切测试时夹具固定焊球在设备上（见图5）。 剪切速度：剪切刀具移动速率去剪焊锡球。

低速剪切：剪切速度通常是0.0001 - 0.0008米/秒（100 - 800微米/秒）。 高速剪切：剪切速度是一般为0.01 - 1.0米/秒，但可以超出这个范围。 回流后经过时间：焊球剪切和焊料球最后回流之间经过的时间。 失效模式：类型或锡球剪切后观察到的失效位置。

后压力测试：锡球剪切后进行可靠性评估，如温度循环或高温储存压力测试。 3 仪器

剪切力测量设备应使用经过校准的传感器或传感元件。应进行定期校准，以确保精度长期一致。建议设备的最大负载能力至少为测量球在被测试部分的剪切最大值的10％。该仪器可专门用于焊球剪切试验，或用于通用负载偏移量测试仪器。该设备必须能够有施加到锡球的应用和记录。该设备必须有能力用于一个已知位移速率的负载能力。单个的设备可能需要执行低速和高速剪切试验。

4 程序 4.1 一般

剪切工具和测试样品安装在试验装置，这样的锡球将由一个方向平行于平面剪切。该装置定位时当心不要损坏锡球。在一定范围内剪切的焊料球和设备的足够数量，为适当的测试目的，确保了被证实的部分统计有效的数量，并反映成本/生产上的限制。根据失效分布，期望度，置信度，和其他相关参数，锡球样品数量如22，30，45等，和设备的数量为3，5等，样品量可适当。

剪切力和/或失效模式可能是敏感的剪切速率，剪切工具支架，以及剪切试验和最后焊球回流时间。为了确保有效的比较试验结果，同样的剪切速率，剪切工具支架和回流时间应使用任何特定大量测试。 4.2 锡球组成

这种测试方法适用于任何焊接球组成（锡铅，锡银铜等）或结构类型（均质合金焊料，锡涂层有机或金属芯等）。替代失效模式评估类别可能需要一些锡球结构。 4.3 基材

样品基体材料可以是有机或无机（陶瓷，硅等）组成，以及任何表面安装结构（BGA, CSP等）。

4.4 前提条件

如果由供应商和客户之间的协议的要求，样品器件应过适当回流焊曲线后再做锡球剪切试验。回流前器件潮湿不做要求; 如果在锡球连接区严重性的破坏发生时，器件回流前应烘烤。

回流的焊料球的总数应记录和保存与试验样品比较应是一致的。 4.5 夹具

该夹具的设计必须防止试验设备运动在所有轴，并确保该设备平面保持平行于刀具方向（见图5）。该夹具应保持样品的固定且没有变形或扭曲。夹具是硬性连接的机器特别适用于高速剪切试验，最小化任何位移或变形，以避免激发在测试设备的测试频率共振。 夹紧装置例子见图5，夹具可实现多种夹紧方式，包括可容纳多个器件尺寸的定制夹具，以及分带或载体设备。

4.6 样品制备

在进行测试之前，锡球应目视检查，以确保它们是正确形状，没有污染物或残留的助焊剂，做代表性测试。依靠特殊的剪切试验仪器规定参数，焊球相邻被测球（在剪切工具行进路径内）可能首先需要从该样品中移除。如果相邻的锡球需移除，剩余的焊锡高度应足够低，以确保剪切工具在整个路径中不接触残留焊锡。锡球必须保留足够数量的样品制备，以确保样本量的要求仍然在实际剪切试验得到满足。见图2和3分别用于低速和高速剪切试验样品的准备典型的例子。

4.7 剪切工具

剪切工具须以淬火钢，陶瓷或其他非柔软物质构成。剪切工具应关注的锡球的宽度，因此在剪切试验过程中不会干扰相邻焊球。剪切工具相对于器件的平面应90°±5°。 对齐剪切工具，使其接触焊料球（见图1）。剪切工具支架应不大于锡球高度的25％（10％首选），并确保剪切工具不接触整个监控剪切工具行程的表面。最好的对齐是使平台/工具可移动，它允许在垂直平满方向运动。必须特别注意确保所测试的锡球不是在初始设置操作。

剪切刀具磨损（见图4）由于长时间使用可能会影响测试结果。如果刀尖明显过度磨损迹象表明剪切工具将被替换，影响改变剪切力读数和/或失效模式。磨损特性（刻痕，凿槽，圆角等），光学检测下观察到比测试锡球高度较大约10％，可能需要对测试结果的影响进行调查。

4.8 剪切速度

装载的焊球以恒定速率并记录剪切速度。记录的剪切力和持续加载剪切力直到失效最大值至少25％，或直至剪切工具的行程（撞击后）超过焊球直径。这两种剪切力和失效模式经常体现出剪切速度的敏感性。因此同样的剪切速度应用于所有的比较实验。

根据不同的焊点失效模式在实际器件组装和操作时，无论是低速（条件A）或高速（条件B）剪切试验可以证明更合适的焊点完整性评估工具。 4.8.1 低速剪切 - 条件A

低速剪切试验通常是在速度从0.0001 - 0.0008米/秒范围内进行（100 - 800微米/秒）。 4.8.2 高速剪切 - 条件B

高速剪切测试通常是在速度从0.01 - 1.0米/秒范围内进行，但可能会超出这个范围。高速剪切测试可能会导致界面断裂的发生率高于低速剪切试验，并可能是更有效的评估方法对断裂强度的影响。焊剪切强度通常随剪切速度增加，因此锡球剪切验收标准可能有所不同，根据剪切速度而定。另外参数如此时最大负荷和能量也可以收集和/或计算以提高高速断裂强度的表征。在多个剪切速度测试也可以引导界定剪切强度和剪切速度失效模式依赖性，并帮助建立一个最佳的测试剪切速度为将来的测试。 4.9 剪切力

测试数据汇总（见附件A）应包括记录焊球剪切力值的最小，最大，平均和标准偏差。最大剪切负荷将取决于焊接类型、球的大小、焊盘尺寸、阻焊开窗和裸露焊盘形状。因此从焊料成分和球/垫/焊接面结构应包括有代表性的剪切数据，并记录参数。经过足够测试的数据，基于代表性的均值和标准差应该建立失效标准。焊球剪切值应满足的最小水平，由实际用途而定。

4.10 失效模式

对于每一个球剪切，记录失效模式（见附件一）。剪切设备的光学系统可优化剪切工具的定向但不可决定失效模式。如果低于预期值，或焊球剪切混合失效模式出现，建议对断裂面进行详细检查。详细的检查断裂通常需要最少使用100倍显微镜，也许需要更高的放大倍数。在某些情况下，需要如EDX和SEM等技术确定具体的断裂面。 有四种典型的失效模式（对于普通板的失效模式的例子，如表4.1所示）。

由于不正确的剪切工具支架，对齐或速度，会导致剪切试验结果应失效；更换焊球样品进行测试和评估。如果多个故障模式是在一个单一的焊点的观察到时，这个主要失效模式应该作为失效模式测试的记录。

附录A（资料）样本数据报告格式

表A.1 示例资格Lot报告（特使有机设备） 参数 样品类型（BGA、CSP等） 锡球成分（Sn37Pb, Sn3Ag0.5Cu等） 样品基材（层压材料、叠板等） Pad表面处理（ENIG, 电镀Ni/Au） 阻焊结构（阻焊定义或非阻焊定义） 由设备测试焊锡球 测试设备 前提条件回流数量和判别参考J - STD - 020修订版 锡球间距 锡球尺寸 Pad尺寸 阻焊开窗 回流时间 剪切工具支架 剪切速度 剪切力 – 平均 剪切力 – 标准偏差 剪切力 – 最小 剪切力 – 最大 剪切力直方图 值 单位 mm mm mm mm hr μm m/s kgf kgf kgf kgf 失效模式直方图

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