無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性問(wèn)題分析及測試方法

影響無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性的因素

　　1對無(wú)鉛焊料的性能要求

　　傳統錫鉛焊料因具有價(jià)廉、易焊接、成形美觀(guān)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準材料，并形成了一整套的使用工藝，長(cháng)期以來(lái)深受電子廠(chǎng)商的青睞。但由于鉛及鉛化合物對人類(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，各國政府紛紛制定相應的法規約束電子產(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。因此目前電子行業(yè)全面面臨無(wú)鉛化的要求，已經(jīng)對整個(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。

　　微電子領(lǐng)域使用的焊料有著(zhù)很?chē)栏竦男阅芤?，無(wú)鉛焊料也不例外，不僅包括電學(xué)和力學(xué)性能，還必須具有理想的熔融溫度。從制造工藝和可靠性兩方面考慮，表1列出了焊料合金的一些重要性能。

　　2影響無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性的因素

　　與傳統的含鉛工藝相比，無(wú)鉛化焊接由于焊料的差異和工藝參數的調整，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，而傳統的Sn-Pb共晶焊料熔點(diǎn)是183℃，溫度曲線(xiàn)的提升隨之會(huì )帶來(lái)焊料易氧化及金屬間化合物生長(cháng)迅速等問(wèn)題。其次是由于焊料不含Pb，焊料的潤濕性能較差，容易導致產(chǎn)品焊點(diǎn)的自校準能力、拉伸強度、剪切強度等不能滿(mǎn)足要求。以某廠(chǎng)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［7，8，9］、電遷移［8，10］、焊料與基體界面金屬間化合物形成裂紋［7，8，11，12］、Sn晶須生長(cháng)引起短路［7，8］，電腐蝕和化學(xué)腐蝕問(wèn)題r¨等。以下我們主要從設計、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。

　?。?）設計：PCB的合理設計問(wèn)題。如焊盤(pán)設計不合理、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”、形成熱風(fēng)沖擊等。

　?。?）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)焊料及導體材料（如Cu箔）易高溫氧化、金屬間化合物生長(cháng)迅速等問(wèn)題。因為在焊接過(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 )導致焊點(diǎn)斷裂、韌性和抗低周疲勞能力下降，從而導致焊點(diǎn)的可靠性降低。以當前最為成熟的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，導致焊點(diǎn)提前失效。

　　另外，由于無(wú)鉛焊料和傳統Sn-Pb焊料成分不同，因而它們和焊盤(pán)材料，如Cu、Ni、AgPd等的反應速率及反應產(chǎn)物可能不同，焊點(diǎn)也會(huì )表現出不同的可靠性。同時(shí)焊料和助焊劑的兼容性也會(huì )對焊點(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 )導致附著(zhù)力減小。此外，由于熱膨脹系數不匹配，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