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無鉛焊接可靠性討論及過渡階段有鉛。無鉛混用應注意的問題(1)
2010-03-30
顧靄雲 關鍵詞:無鉛焊接;無鉛焊料;無鉛元器件;無鉛印制板;無鉛物料管理;無鉛焊點可靠性

 

    

 

      由於推行無鉛焊接的時間還不長,從理論研究到全面應用的過程比較迅速,目前,雖然在消費類、通信類等領域已經比較普遍地應用了無鉛技術,總體來看,還沒有發生太大的可靠性問題。但由於對無鉛焊點可靠性方面的研究還處在初期研究階段,對無鉛焊點的長期可靠性等方面的問題還沒有研究清楚,無鉛產品的長期可靠性還不確定。因此,歐盟對於高可靠要求的電子產品,例如軍事、航空、航天、醫療等領域對於RoHS是豁免的。

 


       2005年底以前,由於元器件還在從有鉛向無鉛轉換過程中,大部分無鉛工藝遇到的問題是無鉛焊料與有鉛元件混用的問題;由於電子製造業的上游元器件在2005至2006年初已經基本上實現了無鉛化,目前已經很難買到有鉛元件了,因而,從2006年中期以後還在做有鉛工藝的電子產品,包括獲得豁免的電子產品,大部分元件都是無鉛元件了,有一些有鉛產品已經達到85%以上是無鉛元件;目前,還有一種情況是雖然已經做無鉛工藝了,但由於一些庫存的有鉛元件還需要繼續使用,因此,還存在無鉛工藝與少量有鉛元件混用的情況。

 

  在過渡階段除了高溫帶來的可靠性問題外,還存在無鉛工藝遇到有鉛元件,有鉛工藝遇到無鉛元件等問題。有鉛和無鉛混用時,不管是有鉛焊料與無鉛元件還是無鉛焊料與有鉛元件混用,都可能發生焊料合金與焊端或引腳鍍層、焊料合金與PCB鍍層、元器件與工藝、PCB材料及塗鍍層與工藝不相容等情況。因此,過渡階段有鉛和無鉛混用時,任何材料管理、生產線和工藝控制不當都可能發生嚴重的可靠性問題。

 


  本文主要討論無鉛焊接可靠性與過渡階段有鉛、無鉛混用應注意的問題。

 


1 關於無鉛焊接可靠性的討論


  關於無鉛焊接可靠性問題是製造商和用戶都十分關心的問題。尤其是當前無鉛焊接材料、印製板、元器件、檢測、可靠性等方面的標準還不完善,甚至可靠性的測試方法也沒有標準的情況下,可靠性是非常讓人們擔憂的。現階段的無鉛工藝和有鉛工藝都有可能發生可靠性問題。

 


  從形成焊點的三個要素(焊料、元器件焊端、PCB表面鍍層)來看,在傳統的Sn-Pb焊接時,焊料是Sn-Pb,元器件焊端、PCB表面鍍層大多也是Sn-Pb鍍層,因此,焊接時焊料合金與被焊接的金屬之間的相容性非常好。Sn-Pb焊接已有近百年的應用史,對焊點的連接強度和可靠性也有了近60年的研究,儘管如此,理論界在焊接機理等方面仍然有一些分歧,但從總體看,Sn-Pb焊點的電氣性能、物理、化學穩定性和機械連接可靠性等方面是能夠滿足當前各種電子產品要求,可以說,Sn-Pb焊料是一種被大家公認的、極為理想的電子焊材料。而無鉛焊接在發達國家也只有十幾年的應用史,對無鉛焊接的可靠性研究只有近十年的時間,世界各國研究機構對無鉛焊接機理、對不同無鉛焊料合金與不同被焊接金屬表面焊接後形成的界面合金層、對無鉛焊點可靠性等方面還沒有統一的認識,無鉛焊點的長期可靠性還有待進一步研究。

 


  焊點抗拉強度與縫金相組織結構以及焊接界面金屬間化合物的成分與厚度有直接的關係。雖然,無鉛焊接過程、焊接機理與Sn-37Pb基本相同。但是,由於無鉛焊接中形成焊點的三個要素:焊料、元器件焊端和PCB表面鍍層都發生了變化,不但無鉛焊接的焊料合金成分和助焊劑成分改變了,而且元件焊端與PCB焊盤的鍍層材料也發生了變化。無鉛元件的焊端材料種類非常多,因此,形成焊點的三個要素之間的組合變得比較複雜,在同一塊組裝板上,尤其是在焊料與元件這一側,可能會發生多種不同的界面反應;它們形成最佳金屬間化合物的溫度、時間等條件也有所差別;生成的金屬間化合物的結構、厚度、強度、可靠性也有所不同。在同一塊組裝板上,如果有一個元件、甚至只有一個焊點不相容,都可能造成整個電路的故障。

 


  由於鍍Sn的成本比較低,因此,目前無鉛元件焊端採用鍍Sn工藝比較多,但鍍Sn容易形成Sn須。Sn須在窄間距的QFP等元件處容易造成短路,會影響長期可靠性;另外,Sn-Ag-Cu焊料與Cu焊接時,遇到微量Pb會發生偏析現象,容易引起焊縫浮起(Fillet-Lifting),也會影響長期可靠性。

 


  無鉛焊料是“高錫”焊料。高錫帶來的問題是:高溫、表面張力大、粘度大、浸潤性差、工藝窗口小等問題。因此,焊點中的空洞以及界面的微孔比較多,而“高溫”又會帶來工藝上的難度,可能會損壞元件和印製板。這些問題都會影響無鉛產品的長期可靠性;

 


  總之,由於無鉛化實施時間不長,還有許多不完善之處。目前,國際上對於無鉛產品、無鉛焊點可靠性問題(包括測試方法)還在最初的研究階段,無鉛焊點的長期可靠性還存在不確定因素,即使完全無鉛化以後,無鉛焊點的長期可靠性,到目前為止,國際上還沒有完全研究清楚。高可靠產品是獲得豁免的,因此,高可靠產品實施無鉛工藝必須慎重考慮長期可靠性問題。

 


下面從幾個方面對無鉛焊點的連接可靠性進行討論:


‧焊點機械強度;


‧錫須;


‧空洞、裂紋;


‧金屬間化合物的脆性;


‧機械震動失效;


‧熱循環失效;


‧電氣可靠性。


1.1 焊點機械強度


  因為鉛是比較軟的,容易變形,因此,無鉛焊點的硬度比Sn/Pb高,無鉛焊點的強度也比Sn/Pb高,無鉛焊點的變形比Sn/Pb焊點小,但是,這些並不等於無鉛的可靠性好。由於無鉛焊料的潤濕性差,因此,空洞、移位、立碑等焊接缺陷比較多;由於熔點高,如果助焊劑的活化溫度不能配合高熔點,會影響潤濕性,並直接影響界面反應和焊點界面結合強度。另外,由於無鉛焊接溫度高,金屬間化合物(IMC)的生長速度比較快,容易造成IMC過厚,而IMC是脆性的,容易在界面產生龜裂造成失效。 

 


  一些研究顯示:在撞擊、跌落測試中,用無鉛焊料裝配的結果比較差。非常長期的可靠性也較不確定。據美國偉創立、安捷倫等公司的可靠性試驗,例如推力試驗、彎曲試驗、振動試驗、跌落試驗,經過潮熱、高低溫度循環等可靠性試驗結果,大體上都有一個比較相近的結論:大多數消費類產品,例如民用、通信等領域,由於使用環境沒有太大的應力,無鉛焊點的機械強度甚至比有鉛的還要高。但在使用應力高的地方,例如軍事、高低溫、低氣壓、震動等惡劣環境下,由於無鉛蠕變大,因此,無鉛比有鉛的連接可靠性差很多。

 


1.2 錫晶須問題


  晶須(Whisker)是指從金屬表面生長出的細絲狀、針狀形單晶體,它能在固體物質的表面生長出來,易發生在Sn、Zn、Cd、Ag等低熔點金屬表面。通常發生在0.5~50μm厚度很薄的金屬沉積層表面。典型的晶須是直徑為1~10μm,長度為1~500μm。在高溫和潮濕的環境下,在有應力的條件下,錫須的生長速度會加快,過長的晶須可能會導致短路,引發電子產品可靠性問題(見圖1)。

 

  

 

 


  由於鍍Sn的成本比較低,因此,目前無鉛元件焊端和引腳表面採用鍍Sn工藝比較多,但鍍Sn容易形成Sn須。例如發生在窄間距QFP等元件引腳上的晶須容易造成短路,對電氣可靠性存在隱患。無鉛產品錫須生長的機會和造成危害的可能性遠遠高於有鉛產品,會影響電子產品的長期可靠性。
 

 

  對錫晶須問題,業界做了許多研究,目前已經有了一些有效抑制Sn晶須生長的措施,例如:鍍暗Sn、熱處理、中間鍍Ni阻擋層、鍍層合金化、增加鍍Sn層厚度等。

 


1.3 空洞、裂紋及焊接面空洞或稱微孔


 造成空洞、裂紋的原因很多,主要有以下幾個方面因素:


‧焊接面(PCB焊盤與元件焊端表面)存在浸潤不良;


‧焊料氧化;


‧焊接界面各種材料的膨脹係數不匹配,焊點凝固時不平穩;
 

  再流焊溫度曲線的設置未能使焊膏中的有機揮發物及水分在進入回流區前揮發。


  無鉛焊料是“高錫”焊料。高錫帶來的問題是:高溫、表面張力大、粘度大。表面張力的增加勢必會使氣體在冷卻階段的外逸更困難,氣體不容易排出來,使空洞的比例增加。因此,無鉛焊點中的氣孔、空洞比較多。

 


  另外,由於無鉛焊接溫度比有鉛焊接高,尤其是在大尺寸、多層板、以及熱容量大的元器件時,峰值溫度往往達到260℃左右,冷卻凝固到室溫的溫差大,因此,無鉛焊點的應力也比較大,產生焊點裂紋的幾率也比有鉛焊點高。再加上無鉛焊點常形成相對較脆的金屬間化合物(IMC),IMC的熱膨脹係數比較大,在高溫工作或強機械衝擊下容易產生開裂。

 


  圖2(a)顯示了QFP、片式元件、以及BGA焊點空洞,分佈在焊接界面的空洞會影響連接強度;圖2(b)顯示了SOJ引腳焊點裂紋及BGA焊球與焊盤界面的裂紋缺陷,焊點裂紋以及焊接界面的裂紋都會影響電子產品的長期可靠性。

 

  

 

 圖2 無鉛焊點的空洞和裂紋缺陷

 

 


  另一類處於焊接界面的空洞(或稱微孔),這類空洞非常小,甚至只有通過電子掃描顯微鏡(SEM)才能發現。空洞的位置和分佈可能是造成電連接失效的潛在原因。特別是功率元件空洞會使元件熱阻增大,造成失效。

 


  研究表明:焊接界面的空洞(微孔)主要是由於Cu的高溶解性造成的。由於無鉛焊料的熔點高,而且又是高Sn焊料,Cu在無鉛焊接時的溶解速度比Sn-Pb焊接時高許多。無鉛焊料中銅的高溶解性會在銅與焊料的界面上產生“空洞”,隨時間的推移,這些空洞有可能會削弱焊點的可靠性。

 


  圖3所示是Sn-Ag-Cu與Cu焊接縫組織的電子掃描顯微(SEM)照片。從圖中可以看出:在靠近Cu附近的金屬間化合物Cu3Sn中有空洞。

 

 

 


1.4 金屬間化合物的脆性


  焊接後要使焊點具有一定的連接強度,必須生成金屬間結合(合金)層,此結合層由共晶體、固溶體、金屬間化合物的混合物組成。通常,金屬間化合物(IMC)是在凝固時在焊接點的界面析出,因此,IMC位於母材(被焊金屬)與料(焊料合金)的界面。金屬間化合物與母材以及料的結晶體、固溶體相比較,強度是最弱的。其原因是:金屬間化合物是脆性的,與基板材料、焊盤、元器件焊端之間的熱膨脹係數差別很大,容易產生龜裂造成失效。因此,縫中不可能沒有金屬間化合物,但不能太厚。過多的金屬間化合物對焊點的性能是不利的。
 

 

  研究表明,無鉛料與Sn-37Pb料最大的不同是:在再流焊和隨後的熱處理及熱時效(老化)過程中,金屬間 化合物會進一步長大,從而影響長期可靠性。

 

                                                                            
  圖4所示是有鉛焊接與無鉛焊接溫度曲線比較,圖中下方(黑色)曲線是Sn-37Pb的溫度曲線, Sn-37Pb的熔點為183℃,峰值溫度為210~230℃,液相時間為60~90s;圖中上方(紅色)曲線是Sn-Ag-Cu的溫度曲線,Sn-Ag-Cu的熔點約為220℃,峰值溫度為235~245℃,液相時間為50~60s。圖中顯示了無鉛焊接與有鉛焊接的比較,無鉛焊接的溫度高、工藝窗口窄,金屬間化合物(IMC)的厚度不容易控制。

 

 

  

圖4 有鉛焊接與無鉛焊接溫度曲線比較

 


  由於擴散的速度與溫度成正比關係;擴散的量與峰值溫度的持續時間和液相時間也成正比關係,焊接工藝溫度越高,時間越長,化合物層會增厚。而無鉛焊料(Sn-Ag-Cu)恰恰熔點高,回流焊的溫度比傳統的Sn-37Pb高,因此,無鉛焊接的高溫會使IMC快速增長;從兩條溫度曲線的比較中還可以看到,無鉛焊接從峰值溫度至爐子出口的時間也比Sn-37Pb焊接的時間長,這相當於增加了熱處理的時間,這也會使無鉛焊點的IMC增多;另外,有研究表明,無鉛料在熱時效(老化)過程中金屬間化合物會進一步長大,也就是說,電子產品在使用過程中由於環境溫度變化以及加電發熱(相當於老化)過程中金屬間化合物還會進一步長大。金屬間化合物厚度過厚並不斷增長,也會影響無鉛焊點的長期可靠性。

 


 從以上分析中可以得到一個結論:


  無鉛焊接的溫度高,金屬間化合物生長速度快;在隨後的熱處理(峰值溫度至爐子出口的時間長)也容易增加IMC的厚度;在老化過程中,金屬間化合物會進一步長大。由於金屬間化合物是脆性的,過厚的IMC容易造成電氣和機械連接的失效。

 


  為了使金屬間化合物的厚度不會太厚,在設置溫度曲線時,應儘量考慮採用較低的峰值溫度和較短的峰值溫度持續時間,同時,還要縮短液相時間。因此,無鉛焊接的工藝窗口非常窄。

 


        總之,溫度過低、潤濕性差,影響擴散的發生,影響焊點連接強度;溫度過高,金屬間化合物過多,也會影響焊點連接強度。

 


1.5 機械震動失效


  有關實驗證明:在機械震動、跌落或電路板彎曲時,Sn-Ag-Cu焊點的失效負載還不到Sn-Pb合金焊點的一半。也就是說,如果Sn-Pb焊點震動失效的最大加速度為20g,頻率為30Hz次數,而Sn-Ag-Cu焊點震動失效的最大加速度不到10g,頻率不到15Hz次數;如果Sn-Pb焊點的跌落失效高度為1.2米,而Sn-Ag-Cu焊點的跌落失效高度不到0.6米。

 


造成無鉛焊點機械震動失效的主要原因如下:


‧脆弱的金屬間化合物、空洞;


‧由於Sn-Ag-Cu比Sn-Pb更硬而傳遞了更大的應力,容易在焊點和界面產生裂紋;


‧因更高的回流焊接溫度而導致的電路板降級等因素,使疲勞失效無法得到徹底的控制。


  近年來,為了改善無鉛CSP焊點的脆性,例如手機中原來不需要底部填充的CSP也採用底部填充技術來增加其連接強度。經過底部填充的便攜式電子產品的抗震動、抗跌落強度提高了,但也帶來了返修困難,甚至無法返修的問題。

 


1.6 熱循環失效


  電子產品在加電使用過程中會發熱,特別是功率元件的工作溫度比較高;另外,一年四季隨春夏秋冬的溫度變化,焊點隨時遭遇到不同的循環熱應力的影響,在有空洞及裂紋等電氣連接比較薄弱的部位會使熱阻增大,造成失效;另外,由於與焊點相關的材料:例如焊點上的焊料合金、金屬間化合物、各種元件的焊端合金(Cu、Ni等)、PCB焊盤(Cu)、陶瓷體元件、環氧樹脂、玻璃纖維布等材料,以及PCB的X、Y方向與Z方向的熱膨脹係數的差異是很大的,在溫度變化時會遭受到不同程度的應力、應變,使焊點產生疲勞裂紋,隨裂紋的擴展最終造成焊點開裂失效。這種熱循環疲勞失效的典型例子見圖5所示。

 

 

圖5 焊點經歷3,000個循環(-40℃/+125℃)前、後的狀態

 


1.7 電氣可靠性


  通常,同一塊PCB要經過回流焊、波峰焊、返修等工藝。很可能形成不同的殘留物,在潮濕環境和一定電壓下,可能會與導電體之間發生電化學反應,引起表面絕緣電阻(SIR)的下降。如果有電遷移和枝狀結晶生長的出現,將發生導線間的短路,造成電遷移(俗稱“漏電”)的風險。圖6所示是電遷移造成的枝狀結晶的例子。

 

 

圖6 電遷移造成的枝狀結晶

 


  為了保證電氣可靠性,需要對不同免清洗助焊劑的性能進行評估,同一塊PCB要儘量採用相同的助焊劑,或進行焊後清洗處理。

             

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