哪些原因可能會(huì)影響無(wú)鉛焊點(diǎn)的可靠性?
日期:2021-09-15 15:38:00 瀏覽量:1779 標(biāo)簽: 可靠性分析 可靠性測(cè)試 無(wú)鉛測(cè)試
一個(gè)焊點(diǎn)的失效就有可能造成器件整體的失效,因此如何保證焊點(diǎn)的質(zhì)量是一個(gè)重要問(wèn)題。傳統(tǒng)鉛錫焊料含鉛,而鉛及鉛化合物屬劇毒物質(zhì),長(zhǎng)期使用含鉛焊料會(huì)給人類(lèi)健康和生活環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重危害。目前電子行業(yè)對(duì)無(wú)鉛軟釬焊的需求越來(lái)越迫切,已經(jīng)對(duì)整個(gè)行業(yè)形成巨大沖擊。無(wú)鉛焊料已經(jīng)開(kāi)始逐步取代有鉛焊料,但無(wú)鉛化技術(shù)由于焊料的差異和焊接工藝參數(shù)的調(diào)整,必不可少地會(huì)給焊點(diǎn)可靠性帶來(lái)新的問(wèn)題。接下來(lái)主要介紹,哪些原因可能會(huì)影響無(wú)鉛焊點(diǎn)的可靠性?
1、對(duì)無(wú)鉛焊料的性能要求
傳統(tǒng)錫鉛焊料因具有價(jià)廉、易焊接、成形美觀以及物理、力學(xué)和冶金性能好等特點(diǎn)而作為連接元器件和印刷電路板的標(biāo)準(zhǔn)材料,并形成了一整套的使用工藝,長(zhǎng)期以來(lái)深受電子廠商的青睞。但由于鉛及鉛化合物對(duì)人類(lèi)健康和生活環(huán)境的不利影響,限制和禁止使用含鉛焊料的呼聲日益高漲,各國(guó)政府紛紛制定相應(yīng)的法規(guī)約束電子產(chǎn)品的使用材料和廢棄物的處理,電子封裝的環(huán)境友好化要求已成為全球趨勢(shì)。因此目前電子行業(yè)全面面臨無(wú)鉛化的要求,已經(jīng)對(duì)整個(gè)行業(yè)形成巨大沖擊。近幾年無(wú)鉛焊料迅速發(fā)展起來(lái),最常用的是Sn-Ag-Cu系列。
2、影響無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性的因素
與傳統(tǒng)的含鉛工藝相比,無(wú)鉛化焊接由于焊料的差異和工藝參數(shù)的調(diào)整,必不可少地會(huì)給焊點(diǎn)可靠性帶來(lái)一定的影響。首先是目前無(wú)鉛焊料的熔點(diǎn)較高,一般都在217℃左右,而傳統(tǒng)的Sn-Pb共晶焊料熔點(diǎn)是183℃,溫度曲線的提升隨之會(huì)帶來(lái)焊料易氧化及金屬間化合物生長(zhǎng)迅速等問(wèn)題。其次是由于焊料不含Pb,焊料的潤(rùn)濕性能較差,容易導(dǎo)致產(chǎn)品焊點(diǎn)的自校準(zhǔn)能力、拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等不能滿(mǎn)足要求。以某廠商為例,原含鉛工藝焊點(diǎn)不合格率一般平均在50×10-6(0.05%)左右,而無(wú)鉛工藝由于焊料潤(rùn)濕性差,不合格率上升至200×10-6~500×10-6(0.2~0.5%)。
鑒于無(wú)鉛化焊點(diǎn)可靠性方面目前仍存在許多問(wèn)題,有必要對(duì)此進(jìn)行分析。無(wú)鉛焊點(diǎn)的可靠性問(wèn)題主要來(lái)源于:焊點(diǎn)的剪切疲勞與蠕變裂紋、電遷移、焊料與基體界面金屬間化合物形成裂紋、Sn晶須生長(zhǎng)引起短路,電腐蝕和化學(xué)腐蝕問(wèn)題¨等。以下我們主要從設(shè)計(jì)、材料與工藝角度介紹影響無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性的一些因素。
(1)設(shè)計(jì):PCB的合理設(shè)計(jì)問(wèn)題。如焊盤(pán)設(shè)計(jì)不合理、發(fā)熱量大的元件密集分布、相鄰高大元件在回流焊時(shí)產(chǎn)生“高樓效應(yīng)”、形成熱風(fēng)沖擊等。
(2)材料:焊料的選擇極為重要。目前,大多采用錫銀銅合金系列,液相溫度是217℃-221℃,這就要求再流焊具有較高的峰值溫度,如前所述會(huì)帶來(lái)焊料及導(dǎo)體材料(如Cu箔)易高溫氧化、金屬間化合物生長(zhǎng)迅速等問(wèn)題。因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中,熔融的釬料與焊接襯底接觸時(shí),由于高溫在界面會(huì)形成一層金屬間化合物(IMc)。其形成不但受回流焊溫度、時(shí)間的控制,而且在后期使用過(guò)程中其厚度會(huì)隨時(shí)間增加。
研究表明界面上的金屬間化合物是影響焊點(diǎn)可靠性的一個(gè)關(guān)鍵因素。過(guò)厚的金屬間化合物層的存在會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂、韌性和抗低周疲勞能力下降,從而導(dǎo)致焊點(diǎn)的可靠性降低。以當(dāng)前最為成熟的Sn-Ag系無(wú)鉛焊料為例,由于熔點(diǎn)更高,相應(yīng)的再流焊溫度也將提高,加之無(wú)鉛焊料中Sn含量都比Sn-Pb焊料高,這兩者都增大了焊點(diǎn)和基體間界面上形成金屬問(wèn)化合物的速率,導(dǎo)致焊點(diǎn)提前失效。
另外,由于無(wú)鉛焊料和傳統(tǒng)Sn-Pb焊料成分不同,因而它們和焊盤(pán)材料,如Cu、Ni、AgPd等的反應(yīng)速率及反應(yīng)產(chǎn)物可能不同,焊點(diǎn)也會(huì)表現(xiàn)出不同的可靠性。同時(shí)焊料和助焊劑的兼容性也會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的可靠性產(chǎn)生非常大的影響。有研究表明:焊料和助焊劑各成分之間不兼容會(huì)導(dǎo)致附著力減小。此外,由于熱膨脹系數(shù)不匹配,又會(huì)加快焊料周期性的疲勞失效。因此要特別注意選擇兼容性?xún)?yōu)良的焊料和助焊劑,才能耐受住無(wú)鉛再流焊時(shí)的高溫沖擊。
另外,各互連焊接部件均來(lái)自于不同生產(chǎn)廠商,因而部件質(zhì)量難免參差不齊,如器件引腳可焊性不良等,對(duì)無(wú)鉛工藝焊點(diǎn)可靠性有較大影響。比較典型的例子是.PCB板焊盤(pán)質(zhì)量問(wèn)題。由于以前的熱風(fēng)整平(HASL)焊盤(pán)涂層工藝存在一些缺點(diǎn),因此目前OEM廠商應(yīng)用較廣泛的包括有機(jī)可焊性保護(hù)層(OSP)和Ni/Au涂層工藝。
其中Ni/Au涂層又有浸金法和鍍金法兩種,浸金法由于工藝簡(jiǎn)單而較受?chē)?guó)內(nèi)廠商青睞,但此法難于控制Au層厚度,常會(huì)出現(xiàn)Au層厚度不足導(dǎo)致其下的Ni層氧化,影響回流焊接時(shí)焊點(diǎn)的性能。對(duì)于此種情況,廠商一般可用俄歇電子能譜儀(AES)精確測(cè)量PCB焊盤(pán)的Au層厚度是否符合規(guī)格。
(3)工藝:在SMT、MCM制作工藝過(guò)程中,通常會(huì)遇到諸如焊料儲(chǔ)存溫度不當(dāng)、焊盤(pán)焊料不足、再流焊溫度曲線設(shè)置不當(dāng)?shù)葐?wèn)題。就無(wú)鉛焊接而言,再流焊工藝溫度曲線的優(yōu)化至為重要,優(yōu)良的工藝既可保證形成高可靠性的焊接,又保持盡可能低的峰值溫度。
因此,目前除日本以外,其他國(guó)家的消費(fèi)電子公司似乎都接受了錫銀銅合金系列,合金中銀所占比例為3.0%~4.7%,銅為0.5%-3.0%。不同成分的合金熔點(diǎn)相差不大,基本上在217℃-221℃之間,而錫鉛合金(63%的錫和37%的鉛)的液相溫度是183℃,兩者相差34℃。
因此嚴(yán)密監(jiān)控再流工藝中的關(guān)鍵變量,如峰值溫度、高于液相溫度的時(shí)間、浸漬時(shí)間、浸漬溫度以及由于選擇焊劑和焊膏而引起的斜坡速率,以確保再流焊過(guò)程保持1.33或高于1.33的Cpk。另外需注意的一點(diǎn)是含Bi無(wú)鉛焊料的使用問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn),含Bi焊料與Sn-Pb涂層的器件接觸時(shí),回流焊后會(huì)生成Sn-Pb-Bi共晶合金,熔點(diǎn)只有99.6℃,極易導(dǎo)致焊接部位開(kāi)裂的發(fā)生。因此對(duì)含Bi無(wú)鉛焊料的使用需注意器件涂層是否為Sn-Pb涂層。
另外,關(guān)于無(wú)鉛焊接工藝中出現(xiàn)的空洞問(wèn)題??斩词腔ミB焊點(diǎn)在回流焊接中常見(jiàn)的一種缺陷,在BGA/CSP等器件上表現(xiàn)得尤為突出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及測(cè)量方面的差異性較大,至今對(duì)空洞水平的安全性評(píng)估仍未統(tǒng)一。有經(jīng)驗(yàn)的工程師習(xí)慣將無(wú)較大空洞(小尺寸的空洞體積之和不超過(guò)焊點(diǎn)體積的0.5%)、空洞比例低于15%~20%,且不集中于連接處的空洞歸于回流焊接中常見(jiàn)的一種缺陷,并認(rèn)為是可以接受的;
另一方面,按照Motorola的研究結(jié)果認(rèn)為直徑3μm~5μm的空洞事實(shí)上能提高焊點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性,因?yàn)樗谝欢ǔ潭壬峡梢宰柚购更c(diǎn)中裂紋的擴(kuò)展。但一般認(rèn)為大的空洞,或空洞面積達(dá)到一定比例后會(huì)給可靠性帶來(lái)不利影響。
因此,在無(wú)鉛焊接中,空洞仍然是一個(gè)必須關(guān)注的問(wèn)題。在熔融狀態(tài)下,Sn/Ag/Cu合金比Sn-Pb合金的表面張力更大,表面張力的增加勢(shì)必會(huì)使氣體在冷卻階段的外溢更加閑難,使得空洞比例增加。這一點(diǎn)在無(wú)鉛錫膏的研發(fā)過(guò)程中得到證實(shí),結(jié)果顯示使用無(wú)鉛錫膏的焊點(diǎn)中的空洞數(shù)量多于使用錫鉛錫膏的焊點(diǎn)。大的空洞和一些小的球形空洞是由于助焊劑的揮發(fā)造成的,錫膏中助焊劑的配比是影響焊點(diǎn)空洞的最直接因素,因此無(wú)鉛錫膏仍有很大的改善空間。