無(wú)鉛電子產(chǎn)品PCBA可靠性研究
2020-05-19 12:01:49
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【文摘】電子工業(yè)正向無(wú)鉛電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)移，既為了符合政府法規(guī)，也為了通過(guò)產(chǎn)品的差異性提高市場(chǎng)份額。考慮到含鉛電子產(chǎn)品已經(jīng)使用了40多年，所以采用無(wú)鉛技術(shù)代表了重大的變化。無(wú)鉛電子產(chǎn)品的制造涉及利用無(wú)鉛焊料合金將無(wú)鉛元件裝配到無(wú)鉛印刷電路板上。學(xué)術(shù)界及工業(yè)界針對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題包括無(wú)鉛焊料合金的選擇、無(wú)鉛焊料合金的性質(zhì)特點(diǎn)及在各種應(yīng)力負(fù)載條件下的性狀，無(wú)鉛制造、物流及知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題、無(wú)鉛裝配可靠性評(píng)價(jià)。
CALCE EPSC一直從事于研究，使工業(yè)界能順利地轉(zhuǎn)向無(wú)鉛電子產(chǎn)品。本文綜述了CALCE EPSC所承擔(dān)的對(duì)各種問(wèn)題的研究，包括焊點(diǎn)可靠性、金屬間生長(zhǎng)和元件水平可靠性問(wèn)題（如在貴金屬預(yù)鍍引線(xiàn)座元件中錫枝狀晶體析出及蠕變腐蝕）。本文還提出了為了保證無(wú)鉛電子產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性所需要進(jìn)行的研究，并探討了正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究。
為了符合各項(xiàng)政府法規(guī)及社會(huì)問(wèn)題，電子工業(yè)正從錫-鉛產(chǎn)品向無(wú)鉛產(chǎn)品轉(zhuǎn)移。這種轉(zhuǎn)移是被產(chǎn)量大的消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)和通訊工業(yè)所驅(qū)動(dòng)的[1-6]。在名為《無(wú)鉛電子產(chǎn)品》[1]這本書(shū)中介紹了工業(yè)的現(xiàn)狀、以及與無(wú)鉛電子轉(zhuǎn)移相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和商業(yè)問(wèn)題。
從定義上看，無(wú)鉛焊接組件涉及的是僅使用無(wú)鉛材料。這既適用于印刷電路板（PCB）的焊接材料（即表面安裝型的焊膏或通孔組件的波焊）也適用于元件端子及PCB安裝貼片上的表面電鍍。Ganesan 和 Pecht [1]對(duì)無(wú)鉛焊料合金成分進(jìn)行了概述。目前，銀、銅、鉍及銻的不同組合而形成的富錫合金是無(wú)鉛焊料主要的可選材料。在這些材料中，錫-銀-銅（SAC）共晶合金（其熔點(diǎn)約217°C），似乎是一種最有前景的組成，這是基于目前工業(yè)趨勢(shì)，以及CALCE EPSC、國(guó)際錫研究所（ITRI）、國(guó)家電子制造促進(jìn)會(huì)（NEMI）和日本電子信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì)（JEITA）的推薦。
三元SAC合金有300多項(xiàng)無(wú)鉛專(zhuān)利。專(zhuān)利取決于這樣一些因素如“焊料合金組成”、“焊點(diǎn)”或“金屬間化合物”。有關(guān)無(wú)鉛合金的專(zhuān)利和知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題已經(jīng)在CALCE承擔(dān)的研究中進(jìn)行了討論。
CALCE EPSC還承擔(dān)了日本無(wú)鉛電子現(xiàn)狀的研究[16-17]、無(wú)鉛轉(zhuǎn)移對(duì)制造的影響研究[18-20]、無(wú)鉛陶瓷片狀電容器的斷裂研究[21-22]、無(wú)鉛焊點(diǎn)的性能研究[23-24]、無(wú)鉛小片連接的疲勞[25]。此外，CALCE已經(jīng)進(jìn)行了各種可靠性研究，這將在下面討論。
2. 無(wú)鉛可靠性研究
可靠性是向無(wú)鉛電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)移中關(guān)注的問(wèn)題。在利用無(wú)鉛焊料時(shí)突出的可靠性問(wèn)題是，焊點(diǎn)可靠性、金屬間生長(zhǎng)、預(yù)鍍引線(xiàn)座元件的蠕變腐蝕和錫枝狀晶體析出。在各種研究中已經(jīng)針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了探討，在本部分將詳細(xì)介紹。2.1 CALCE的焊點(diǎn)研究
下面是基于無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性文獻(xiàn)而得出幾個(gè)突出點(diǎn)。首先，這些研究中90%以上是利用SnAgCu（錫-銀-銅）合金進(jìn)行的。其次，已經(jīng)考慮了各種各樣的電子組裝，但大多數(shù)都是表面安裝區(qū)域布陣的元件如：球柵陣列（BGA）、晶片比例封裝（CSP）、倒焊晶片（FP）封裝、方形平裝（QFP）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)無(wú)鉛波焊裝配的通孔元件的無(wú)鉛焊點(diǎn)長(zhǎng)期可靠性的研究不夠；特別是，單面電路板。第三，已經(jīng)研究了無(wú)鉛焊點(diǎn)在循環(huán)溫度條件下的熱機(jī)械耐久性，極端溫度循環(huán)范圍有：
0 ~ +100°C、-40 ~ +125°C或-55 ~ +125°C，而-40oC ~ 125oC溫度循環(huán)是最廣泛采用的。在上述試驗(yàn)條件下失效前的循環(huán)次數(shù)一般達(dá)到幾千次。
另一方面，在使用壽命過(guò)程中焊點(diǎn)所經(jīng)歷的應(yīng)力狀況。與含有非柔性焊點(diǎn)的無(wú)鉛陶瓷晶片組裝（熱不匹配應(yīng)力大）相比，組裝（如QFP和PBGA）中的焊點(diǎn)所經(jīng)受的應(yīng)力較少（由于焊點(diǎn)的柔性和熱不匹配應(yīng)力低）。CALCE以往的研究得出結(jié)論，非柔性無(wú)鉛焊點(diǎn)（如在無(wú)鉛陶瓷晶片載體中的）的性能低于錫鉛（Sn-Pb）焊點(diǎn)[5-13]的性能。另一方面，對(duì)于塑料QFP和PBGA，情況正好相反（無(wú)鉛焊點(diǎn)的性能高于錫鉛焊點(diǎn)），這與工業(yè)界及學(xué)術(shù)界的幾個(gè)獨(dú)立的研究所報(bào)告的熱-機(jī)械耐久性結(jié)果是一致的。
最后，發(fā)現(xiàn)在振動(dòng)負(fù)載條件下失效前循環(huán)的次數(shù)大大低于溫度循環(huán)下的次數(shù)。然而，與單一負(fù)載試驗(yàn)相比，組合負(fù)載條件可能更代表實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境。目前還沒(méi)有在組合負(fù)載條件（如溫度循環(huán)和振動(dòng)條件）下無(wú)鉛電子產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性的數(shù)據(jù)。
2.2 CALCE金屬間化合物的研究
為了產(chǎn)生可靠的SMT貼片加工焊點(diǎn)，在焊料-貼片界面上金屬間化合物（IMC）的形成是必要的。然而，生成的IMC過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致界面脆化，從而在產(chǎn)品的使用壽命期間引起焊料失效。IMC的形成基于兩個(gè)因素：在焊接過(guò)程中焊料合金與貼片金屬間的潤(rùn)濕反應(yīng)；在產(chǎn)品的儲(chǔ)存及使用壽命期間固體狀態(tài)的老化。在潤(rùn)濕反應(yīng)過(guò)程中，焊料中存在的錫與貼片金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成金屬間化合物（IMC）。IMC形成的程度取決于貼片金屬的類(lèi)型，如銅、鎳、浸銀或浸錫。在貼片金屬含有銅、浸錫和浸銀的情況下，則形成銅-錫IMC。而在浸銀的情況下，也形成銀-錫IMC。在貼片金屬含有鎳的情況下，則形成錫-銅-鎳IMC。
在固體狀態(tài)老化中，由于反應(yīng)物在初始形成的IMC上的擴(kuò)散從而形成了IMC。已經(jīng)報(bào)告了由于高溫老化而使無(wú)鉛焊點(diǎn)上金屬間化合物的生成。CALCE EPSC [1, 14-15]所進(jìn)行的研究表明，在暴露于高溫老化過(guò)程中，由于反應(yīng)產(chǎn)物在固態(tài)擴(kuò)散，使金屬間化合物生長(zhǎng)。金屬間化合物的生長(zhǎng)是時(shí)間的平方根的函數(shù)。例如，在150oC暴露1000小時(shí)后，銅貼片上的SAC焊料顯示出金屬間化合物的厚度約為7微米。CALCE EPSC的研究還表明，在浸銀的情況中，IMC的生長(zhǎng)并不是時(shí)間的平方根的函數(shù)，這是由于銀在整體焊料中的溶解[14]。然而，還沒(méi)有調(diào)查金屬間化合物生長(zhǎng)和振動(dòng)的組合影響。
2.3 CALCE 蠕變腐蝕研究
蠕變腐蝕是一個(gè)質(zhì)量遷移的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中固體腐蝕產(chǎn)物遷移到一個(gè)表面上。它已經(jīng)被確認(rèn)為是一種失效機(jī)理，是電觸點(diǎn)及電接觸器的誤功能的原因。由于貴金屬預(yù)鍍引線(xiàn)座在印刷電路組裝中的應(yīng)用，長(zhǎng)期可靠性證明是現(xiàn)場(chǎng)使用IC元件的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。基于貴金屬冶金的預(yù)鍍引線(xiàn)座如Ni/Pd/Au，是圓形帶引線(xiàn)元件的一種商業(yè)上可得到的無(wú)鉛解決方案。德克薩斯儀表公司（TI）推出鎳上鍍鈀的引線(xiàn)座技術(shù)。在塑料元件的標(biāo)準(zhǔn)封裝過(guò)程中，封裝后的“修剪和成形”過(guò)程會(huì)將引線(xiàn)座材料（通常是銅）暴露到引線(xiàn)上。被暴露的銅為腐蝕的初始形成提供了場(chǎng)地。當(dāng)元件在嚴(yán)酷環(huán)境中工作時(shí)，那么腐蝕過(guò)程就從被暴露的金屬區(qū)域開(kāi)始并擴(kuò)展。由于鈀是一種貴金屬，在使用環(huán)境中不發(fā)生腐蝕，所以鈀的電鍍?yōu)殂~腐蝕產(chǎn)物的移動(dòng)提供了一個(gè)表面。在這種情況下，腐蝕產(chǎn)物可以移動(dòng)到引線(xiàn)上，并逐漸遷移到封裝的模塑表面上。當(dāng)相鄰引線(xiàn)上的腐蝕產(chǎn)物合并在一起時(shí)，腐蝕產(chǎn)物的導(dǎo)電性可導(dǎo)致元件的短路或信號(hào)損壞。
2.4 CALCE錫枝狀晶體析出研究
錫枝狀晶體析出是與無(wú)鉛電子元件相關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵可靠性問(wèn)題。枝狀晶體析出是被拉伸的純錫單晶體，已經(jīng)被報(bào)告生長(zhǎng)到超過(guò)10mm（250密耳）長(zhǎng)（典型情況為1 mm或以下）、0.3至 10μm直徑寬（典型為1-3 μm）。枝狀晶體析出是在沒(méi)有作用的電場(chǎng)或潮濕條件下自發(fā)生長(zhǎng)的（與樹(shù)枝狀不同），并且與大氣壓力無(wú)關(guān)（它們?cè)谡婵障律L(zhǎng)）。枝狀晶體析出可以是直的、彎折的、帶鉤的或分齒的，而有些被報(bào)告是中空的。它們的外表面通常是有條紋的。枝狀晶體析出可以非絲狀類(lèi)型生長(zhǎng)，有時(shí)被稱(chēng)為塊狀或花狀。在電鍍后不久枝狀晶體析出可能就開(kāi)始生長(zhǎng)了。然而，生長(zhǎng)的起動(dòng)
也可能需要多年。枝狀晶體析出潛伏期不可預(yù)見(jiàn)的本性以及隨后的生長(zhǎng)，是要求長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的系統(tǒng)特別關(guān)注的問(wèn)題。枝狀晶體析出發(fā)生在許多電鍍冶金中[1]。
CALCE EPSC一直與工業(yè)伙伴合作共同研究錫枝狀晶體析出以及模擬枝狀晶體析出的試驗(yàn)方法。這些工作的目的是為了確定錫枝狀晶體析出的加速因素，并在需要高可靠性的應(yīng)用（航空、國(guó)防）中示范錫枝狀晶體析出的轉(zhuǎn)移解決方案。
3. 需要做什么?
在向無(wú)鉛轉(zhuǎn)移中，對(duì)電子組件材料清單的改變正被高產(chǎn)量的消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)和移動(dòng)通訊工業(yè)所驅(qū)動(dòng)，在這些工業(yè)中可靠性要求是不很?chē)?yán)格的，而且產(chǎn)品壽命周期少于5年。然而，這些材料改變對(duì)長(zhǎng)期或20年以上可靠性的影響卻不被了解。在服務(wù)于要求長(zhǎng)期（超過(guò)5年）可靠性的市場(chǎng)的許多產(chǎn)品中將采用無(wú)鉛電子。在許多應(yīng)用中，電子產(chǎn)品將長(zhǎng)期暴露于嚴(yán)酷溫度（過(guò)高、過(guò)低）、濕度、大氣污染及組合的熱-機(jī)械負(fù)載條件（溫度循環(huán) + 振動(dòng)）。因而長(zhǎng)期可靠性研究應(yīng)綜合這些作用條件的相互影響。這些相互影響應(yīng)包括（由于受高溫作用而引起的）不可接受的焊點(diǎn)上金屬間化合物生長(zhǎng)、（由于受濕度和大氣污染而引起的）電子組件的電-化學(xué)降解、（由于長(zhǎng)期暴露于低溫而引起的）錫瘟的形成、以及負(fù)載條件（振動(dòng)、溫度循環(huán)、溫度循環(huán) + 振動(dòng)）對(duì)電子組件的影響。CALCE EPSC已經(jīng)起動(dòng)了一項(xiàng)針對(duì)這些要求的研究。
3.1. 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的目的是，確定無(wú)鉛電子產(chǎn)品在選擇應(yīng)用環(huán)境中的長(zhǎng)期（超過(guò)20年）可靠性。將分兩個(gè)階段進(jìn)行研究。第一個(gè)研究階段包括將試樣長(zhǎng)期儲(chǔ)存在高溫(150oC)、低溫(-40oC)、短期振動(dòng)、長(zhǎng)期高溫(135oC)/電氣偏壓高濕(85%RH)條件下。第二個(gè)研究階段包括使試樣經(jīng)受長(zhǎng)期溫度循環(huán)（10000個(gè)周期），（溫度在-40oC 和 125oC之間變化），以及組合的負(fù)載條件（溫度循環(huán) + 隨機(jī)振動(dòng)）。
長(zhǎng)期暴露于高溫的結(jié)果，將增加金屬間化合物在焊點(diǎn)上的生長(zhǎng)。由于這些化合物本質(zhì)上是脆的，所以在振動(dòng)應(yīng)力條件下它們會(huì)降低焊點(diǎn)壽命。因而，金屬間化合物的生長(zhǎng)和振動(dòng)應(yīng)力環(huán)境之間的這種相互作用在建議的實(shí)驗(yàn)中將被研究。另一方面，暴露于低溫將會(huì)增強(qiáng)富錫無(wú)鉛焊點(diǎn)中錫瘟的形成。目前還不了解在振動(dòng)應(yīng)力條件下這種現(xiàn)象對(duì)焊點(diǎn)壽命產(chǎn)生的影響。建議的實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)這種現(xiàn)象有所了解。電子產(chǎn)品長(zhǎng)期暴露于潮濕條件將增加電化學(xué)過(guò)程，最終導(dǎo)致裝置、元件或PCB中金屬化腐蝕。在無(wú)鉛組件中這種機(jī)理得到進(jìn)一步加強(qiáng)，由于較高的PCB組件溫度，可能引起比鉛基組件更大的惡化（材料降解污染物遷移）。
電子產(chǎn)品含有多種類(lèi)型的元件：SMT元件（QFP、BGA、SOIC）、無(wú)引線(xiàn)載體、無(wú)源及通孔技術(shù)元件。選擇元件的基礎(chǔ)是，在焊點(diǎn)的柔性上產(chǎn)生變化（例如QFP與無(wú)引線(xiàn)陶瓷晶片載體）以及在焊點(diǎn)上產(chǎn)生熱不匹配應(yīng)力（例如：塑料BGA與陶瓷載體）。其次考慮的因素是，在元件的引線(xiàn)電鍍表面上產(chǎn)生變化。引線(xiàn)電鍍表面的改變包括電鍍無(wú)光錫、錫-銅和錫-鉍。就BGA而言，工業(yè)似乎已經(jīng)轉(zhuǎn)向于焊球組成SnAgCu。
在PCB組件方面，工業(yè)也已經(jīng)轉(zhuǎn)向了SnAgCu (SAC)焊膏用于SMT元件的回流焊接、SAC 或Sn0.7Cu用于通孔元件的波焊。因而這些材料將被安裝到基于目前工藝條件的實(shí)驗(yàn)裝備中。試驗(yàn)板將由兩種類(lèi)型的板技術(shù)組成：表面安裝和單面通孔。表面安裝板將采用高Tg FR4 (Tg=170oC 至220oC)和聚酰亞胺制成，并且具有一個(gè)菊花鏈結(jié)構(gòu)從而能夠監(jiān)控電阻。板的尺寸為8英寸X 7英寸X 0.062英寸。單面通孔板是由CEM-1制成的，常用在許多電子系統(tǒng)包括洗衣機(jī)、干衣機(jī)。線(xiàn)路板將與選擇的封裝安裝在一起（帶有仿真硅夾模）。這些封裝都有導(dǎo)線(xiàn)接頭，用于連接相鄰的引線(xiàn)（而不是連接到夾模上），因而在安裝到試驗(yàn)板上后，能夠?qū)更c(diǎn)電阻進(jìn)行監(jiān)控。在應(yīng)力試驗(yàn)過(guò)程中，將利用商業(yè)可得到的電阻測(cè)量?jī)x對(duì)封裝的電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中，振動(dòng)應(yīng)力水平將取決于它在線(xiàn)路板的位置。這個(gè)方面需要考慮替代元件。將利用PCB振動(dòng)應(yīng)力分析來(lái)確定試驗(yàn)理想的元件替代方案。這些PCB還包含有一個(gè)結(jié)構(gòu)，用于研究焊點(diǎn)的電化學(xué)降解。該結(jié)構(gòu)由間隔為0.5 mm (20 密耳)的貼片組成。這個(gè)間隔代表目前工業(yè)上所用的貼片間距。在PCB裝配中，將焊膏回流焊接到這些貼片上，產(chǎn)生焊島。在HAST測(cè)試中，在這些島之間作用電偏壓，來(lái)模擬兩個(gè)焊點(diǎn)
間電遷移的效果。經(jīng)受溫度循環(huán)的表面安裝板將在相鄰的每個(gè)元件上包含“熱斷路”特點(diǎn)，從而方便失效的元件立即被拆下。這個(gè)特點(diǎn)將通過(guò)保留失效波形而有助于失效元件的分析。
為了代表線(xiàn)路板組件實(shí)際的生產(chǎn)條件，所有組件都是在大規(guī)模生產(chǎn)廠中制造的。實(shí)驗(yàn)包括商業(yè)可得到的PCB貼片：浸銀、浸錫、無(wú)電NiP/Au (ENIG)和有機(jī)可焊性保護(hù)劑 (OSP)。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵舶◣в心壳昂U材料和工藝的PCB組件。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：
圖1：為無(wú)鉛焊接產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)
3.2. 研究的預(yù)期結(jié)果
本長(zhǎng)期可靠性研究的主要預(yù)期結(jié)果如下:
? 長(zhǎng)期暴露于高溫條件后，確定焊點(diǎn)上金屬間化合物生長(zhǎng)的程度，焊點(diǎn)是利用高產(chǎn)量組件工藝生產(chǎn)的，并且采用了商業(yè)元件表面電鍍和PCB貼片表面電鍍的多種組合。
? 評(píng)價(jià)任何尚未了解的風(fēng)險(xiǎn)，例如長(zhǎng)期暴露于低溫后在高錫焊點(diǎn)上錫瘟的形成。
? 確定帶有較厚的金屬間化合物以及可能的錫瘟的無(wú)鉛焊點(diǎn)的振動(dòng)疲勞壽命和失效模式。
? 確定（由于高溫?zé)o鉛焊接引起腐蝕失效的）PCB降解所帶來(lái)的影響。
? 確定無(wú)鉛焊點(diǎn)在組合溫度循環(huán) + 振動(dòng)條件下的壽命（與含鉛焊點(diǎn)比較），與多個(gè)相互作用因素的關(guān)系：高產(chǎn)量無(wú)鉛裝配工藝；元件類(lèi)型，元件表面電鍍，PCB貼片表面電鍍。
? 確定在短期振動(dòng)、溫度循環(huán)及組合溫度循環(huán) + 振動(dòng)條件下焊點(diǎn)的失效機(jī)理及模式。比較無(wú)鉛組件的長(zhǎng)期壽命和含鉛組件的長(zhǎng)期壽命。
4. 結(jié)語(yǔ)
無(wú)鉛焊點(diǎn)在單一負(fù)載條件下短期耐久性（即少于5年），存在大量的數(shù)據(jù)。CALCE EPSC一直努力使工業(yè)能夠平穩(wěn)轉(zhuǎn)向無(wú)鉛電子。而對(duì)組合負(fù)載條件及長(zhǎng)期耐久性的數(shù)據(jù)相當(dāng)少。在服務(wù)于要求長(zhǎng)期（超過(guò)5年）可靠性的市場(chǎng)的許多產(chǎn)品中將采用無(wú)鉛電子。在許多應(yīng)用中，電子產(chǎn)品將長(zhǎng)期暴露于嚴(yán)酷溫度（過(guò)高、過(guò)低）、濕度、大氣污染及組合的熱-機(jī)械負(fù)載條件（溫度循環(huán) + 振動(dòng)）。因而長(zhǎng)期可靠性研究應(yīng)綜合這些作用條件的相互影響。這些相互影響應(yīng)包括（由于受高溫作用而引起的）不可接受的焊點(diǎn)上金屬間化合物生長(zhǎng)、（由于受濕度和大氣污染而引起的）電子組件的電-化學(xué)降解、（由于長(zhǎng)期暴露于低溫而引起的）錫瘟的形成、以及負(fù)載條件（振動(dòng)、溫度循環(huán)、溫度循環(huán) + 振動(dòng)）對(duì)電子組件的影響。CALCE EPSC已經(jīng)起動(dòng)了一項(xiàng)針對(duì)這些要求的研究。
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