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无铅焊接可靠性：成为关注热点 |
| 发布时间:2005年5月11日 点击次数:3610 |
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有铅焊接向无铅焊接过渡 无铅工艺对元器件的挑战首先是耐高温。要考虑高温对元器件封装的影响。由于传统表面贴装元器件的封装材料只要能够耐240℃高温就能满足有铅焊料的焊接温度了,而无铅焊接时,对于复杂的产品焊接温度高达260℃,因此元器件封装能否耐高温是必须考虑的问题。 另外还要考虑高温对器件内部连接的影响。IC的内部连接方法有金丝球焊、超声压焊,还有倒装焊等方法,特别是BGA、CSP和组合式复合元器件、模块等等新型的元器件,例如倒装BGA、CSP内部封装芯片凸点用的焊膏就是Sn-3.5Ag焊接,熔点221℃,如果这样的器件用于无铅焊接,那么器件内部的焊点与表面组装的焊点几乎同时再熔化、凝固一次,这对于器件的可靠性是非常有害的。因此无铅元器件的内部连接材料也要符合无铅焊接的要求。 有铅元器件的焊端绝大多数是Sn/Pb镀层,而无铅元器件焊端表面镀层的种类很多。究竟哪一种镀层最好,目前还没有结论,因此还有待无铅元器件标准的完善。 无铅工艺对助焊剂的要求,首先由于焊剂与合金表面之间有化学反应,因此不同合金成分要选择不同的助焊剂。无铅焊剂必须专门配制。随着无铅进程的深入,由于焊料厂商的努力,无铅焊膏质量有了很大改善。目前的无铅焊点从外观上看已经比前几年有了改善。 过渡时期可靠性问题值得关注 无铅焊接可靠性问题是制造商和用户都十分关心的问题。尤其是当前正处在从有铅向无铅焊接过渡的特殊阶段,无铅材料、印刷板、元器件等方面都没有标准,甚至在可靠性的测试方法也没有标准的情况下,可靠性是非常令人担忧的。现阶段的无铅工艺,特别是在国内还处于比较混乱的阶段。由于有铅和无铅混用时,特别是当无铅焊端的元器件采用有铅焊料和有铅工艺时,会发生严重的可靠性问题,这些问题不仅是当前过渡阶段无铅焊接要注意,而且对于过渡阶段的有铅焊接也是要特别注意的问题。 因为铅是比较软的,容易变形,因此无铅焊点的硬度比Sn/Pb高,无铅焊点的强度也比Sn/Pb高,无铅焊点的变形比Sn/Pb焊点小,但是这些并不等于无铅的可靠性好。由于无铅焊料的润湿性差,因此空洞、移位、立碑等焊接缺陷比较多,另外由于熔点高,如果助焊剂的活化温度不能配合高熔点,由于助焊剂浸润区的温度高、时间长,会使焊接面在高温下重新氧化而不能发生浸润和扩散,不能形成良好的界面合金层,其结果导致焊点界面结合强度(抗拉强度)差而降低可靠性。 据美国伟创立、Agilent等公司的可靠性试验,例如推力试验、弯曲试验、振动试验、跌落试验,经过潮热、高低温度循环等可靠性试验结果,大体上都有一个比较相近的结论：大多数民用、通信等领域,由于使用环境没有太大的应力,无铅焊点的机械强度甚至比有铅的还要高,但在使用应力高的地方,例如军事、高低温、低气压等恶劣环境下,由于无铅蠕变大,因此无铅比有铅的可靠性差很多。 关于无铅焊点的可靠性(包括测试方法)还在初期的研究阶段。 目前正处在无铅和有铅焊接的过渡转变时期,大部分无铅工艺是无铅焊料与有铅引脚的元件混用。在"无铅"焊点中,铅的含量可能来源于元件的焊端、引脚或BGA的焊球。 有铅焊料与无铅焊端混用时,有铅焊料先熔,而无铅焊端(球)不能完全熔化,使元件一侧的界面不能生成金属间合金层,BGA、CSP一侧原来的结构被破坏而造成失效,因此有铅焊料与无铅焊端混用时质量最差。BGA、CSP无铅焊球是不能用到有铅工艺中的。 高温对元件有不利影响。陶瓷电阻和特殊的电容对温度曲线的斜率(温度的变化速率)非常敏感,由于陶瓷体与PCB的热膨系数CTE相差大,在焊点冷却时容易造成元件体和焊点裂纹,元件开裂现象与CTE的差异、温度、元件的尺寸大小成正比。0201、0402、0603小元件一般很少开裂,而1206以上的大元件发生开裂失效的机会较多。 铝电解电容对温度极其敏感。连接器和其他塑料封装元件(如QFP、PBGA)在高温时失效明显增加。粗略统计,温度每提高10℃,潮湿敏感元件(MSL)的可靠性降1级。解决措施是尽量降低峰值温度,对潮湿敏感元件进行去湿烘烤处理。 无铅焊料的返修相当困难,主要原因是无铅焊料合金润湿性差、温度高、工艺窗口小。 无铅返修应注意：选择适当的返修设备和工具,正确使用返修设备和工具,正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料,正确设置焊接参数。 无论从环保、立法、市场竞争和产品可靠性等方面来看,无铅化势在必行。目前无铅焊接还处于过渡和起步阶段,从理论到应用都还不成熟,迫切需要加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究。面临2006年7月1日即将到来,我们应该做好准备,例如收集资料、理论学习等。 相关链接 无铅焊料 无铅焊接合金成分的标准化目前还没有明确的规定。无铅化的核心和首要任务是无铅焊料。据统计全球范围内共研制出焊膏、焊丝、波峰焊棒材等100多种无铅焊料,但真正公认能用的只有几种。 最有可能替代Sn/Pb焊料的无毒合金是Sn基合金。以Sn为主,添加Ag、Cu、Zn、Bi、In、Sb等金属元素,构成二元、三元或多元合金,通过添加金属元素来改善合金性能,提高可焊性、可靠性。虽然Sn基无铅合金已经被较广泛的应用,但与Sn63/Pb37共晶焊料相比,无铅合金焊料仍然存在熔点高、表面张力大、润湿性差、价格高等问题。 无铅镀层 目前无铅标准还没有完善,因此无铅元器件焊端表面镀层的种类很多。美国镀纯Sn和Sn/Ag/Cu的比较多。日本的元件焊接端镀层种类比较多,各家公司有所不同,除了镀纯Sn和Sn/Ag/Cu外,还有镀Sn/Cu、Sn/Bi等合金层。由于镀Sn的成本比较低,因此采用镀Sn工艺比较多,但由于Sn表面容易氧化形成很薄的氧化层,加电后产生压力,在不均匀处会把Sn推出来,形成Sn须。Sn须在窄间距的QFP等元件处容易造成短路,影响可靠性。对于低端产品以及寿命要求小于5年的元器件可以镀纯Sn,对于高可靠产品以及寿命要求大于5年的元器件采用先镀一层厚度约为1μm以上的Ni,然后再度2μm～3μm厚的Sn。 推进无铅焊接应 虽然国际国内都在不同程度地应用无铅技术,但目前还处于过渡和起步阶段,从理论到应用都还不成熟,没有统一的标准,对无铅焊接的焊点可靠性还没有统一的认识,因此无论国际国内无铅应用技术都非常混乱,大多企业虽然焊接材料无铅化了,但元器件焊端仍然有铅。究竟哪一种无铅焊料更好,哪一种PCB焊盘镀层对无铅焊更有利,哪一种元器件焊端材料对无铅焊接焊点可靠性更有利,什么样的温度曲线最合理,无铅焊对印刷、焊接、检测等设备究竟有什么要求等等都没有明确的说法。总之,对无铅焊接技术众说纷纭,各有一套说法、各有一套做法。这种状态对无铅焊接产品的可靠性非常不利。因此目前迫切需要加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究。 有铅与无铅混用问题举例 首先,有铅工艺遇到无铅元器件。 有的SMT加工厂,虽然还没有启动无铅工艺,但是也遇到了无铅元器件,特别是BGA/CSP和LLP。有的元件厂已经不生产有铅的器件了,因此采购不到有铅器件,这种知道采购的器件是无铅的情况还不可怕,因为可以通过提高焊接温度,一般提高到230℃～235℃就可以。还有一种措施可以采用无铅焊料和无铅工艺,因为目前过渡阶段普遍情况是无铅焊料和有铅焊端混用,其可靠性还是可以被接受的。但是最糟糕的是无意中遇到了无铅元器件,生产前没有发现,生产中还是采用有铅焊料和有铅工艺,结果就非常糟糕,因为有铅焊料和无铅焊端混用效果最差。 第二,波峰焊问题。 波峰焊问题比较多,例如目前有铅工艺遇到无铅元器件;无铅工艺的插装孔、导通孔不上锡;分层现象较严重;桥接、漏焊等缺陷多;锡锅表面氧化物多等。 解决措施可以从以下几方面考虑,首先备料。备料要注意元器件的焊端材料是否无铅,如果是无铅元器件,一定要弄清楚是什么镀层材料,特别是BGA、CSP和新型封装的器件,例如LLP等。 |
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