無(wú)鉛轉移與過(guò)渡技術(shù)

　　對于諸如ＰＢＧＡ等潮濕敏感器件（ＭＳＤ），隨著(zhù)工藝溫度的提升，元器件吸入的潮氣在高溫作用下氣化并急劇膨脹，形成很大的壓力，可能引起“爆米花”、分層、裂紋等問(wèn)題。因為壓力與溫度的增加是指數關(guān)系，所以對于ＭＳＤ的處理需要特別注意。ＩＰＣ在標準Ｊ-ＳＴＤ-０２０與Ｊ-ＳＴＤ-０３３中［３］分別對ＭＳＤ的分級及其處理作了規范，可以作為應用參考。此外，在使用時(shí)還應當注意以下兩點(diǎn)：（１）峰值溫度每提高５～１０℃，潮濕敏感等級（ＭＳＬ）就下調１～２級；（２）對于開(kāi)封后沒(méi)有使用完的ＭＳＤ，放回干燥箱的時(shí)間保證為暴露在空氣中時(shí)間的５倍以上才可繼續使用，因為吸氣容易排氣難。

　　此外，溫度梯度對元器件的可靠性影響同樣值得關(guān)注。較高的溫度梯度將降低元器件內部的互連可靠性，主要是由于熱不匹配造成的封裝體與硅芯片之間的分層、裂紋等問(wèn)題。在無(wú)鉛條件下，大的溫度梯度既可能出現在升溫階段，也可能出現在焊后冷卻階段。為了保障無(wú)鉛焊點(diǎn)的可靠性，對冷卻速率有一定的要求，冷卻速率太慢，一方面使得金屬間化合物（ＩＭＣ）增長(cháng)太厚；另一方面，結晶組織粗化，以及可能出現板塊狀的Ａｇ３Ｓｎ，這些都將大大降低焊點(diǎn)的可靠性。因此，無(wú)鉛焊接設備都設立了強制冷卻區，一般情況下，冷卻速率最小要高于１.２℃／ｓ，但不要高于２５～３℃／ｓ。

　　另外，影響可靠性的主要因素是元器件的可焊性涂層，主要是指引腳涂層無(wú)鉛化所引起的錫須問(wèn)題。為了保障可靠性，可以將ＥＭＳ論壇無(wú)鉛ＰＣＢ組裝關(guān)于ＲＯＨＳ符合性元器件供應商轉移的指南，與ｉＮＥＭＩ的高可靠性無(wú)鉛組裝的元器件要求作為參考。

　?。?無(wú)鉛對ＰＣＢ的影響與要求

　　無(wú)鉛焊接相對高的溫度給ＰＣＢ帶來(lái)一系列問(wèn)題。具體而言，體現在以下幾個(gè)參數。

　?。?１ 玻璃轉化溫度Ｔｇ

　　在傳統錫鉛工藝條件下，玻璃轉化溫度Ｔｇ被認為是最重要的參數。因為，在Ｔｇ以上，ＰＣＢ物理特性發(fā)生很大變化，特別是熱膨脹系數（ＣＴＥ）。圖１所示為常規ＰＣＢ基材ＦＲ-４、銅（Ｃｕ）以及鍍通孔隨溫度上升的熱膨脹特性圖，從圖中可以看出，在超過(guò)Ｔｇ以后， Ｚ軸的ＣＴＥ急劇上升，與Ｃｕ的熱不匹配問(wèn)題大大加劇，因而期望更高的玻璃轉化溫度。

　?。?２ 分解溫度Ｔｄ

　　在無(wú)鉛轉移研發(fā)初期，認為更高的Ｔｇ能夠解決無(wú)鉛的高溫問(wèn)題。相關(guān)研究進(jìn)一步表明：Ｔｇ依然是非常重要的參數，但單純高的Ｔｇ不能完全解決問(wèn)題，如圖２所示為Ｔｇ高達１７５℃的增強型ＦＲ-４在無(wú)鉛工藝條件下的分層問(wèn)題。這一事實(shí)表明，還有其他同等重要的工藝參數。分解溫度（Ｔｄ）被認為就是其中之一。當溫度高于Ｔｄ，樹(shù)脂材料化學(xué)鍵斷裂引起不可逆的物理與化學(xué)性能的嚴重損傷，一般定義為ＰＣＢ基材重量減少５％的溫度，也有其他如重量減少２％的溫度定義為Ｔｄ。Ｃｈｒｙｓ Ｓｈｅａ等人［４］研究表明，２％的定義與無(wú)鉛情況更接近，如前述的ＦＲ-４材料按照５％的定義Ｔｄ高達３２０℃，而實(shí)際無(wú)鉛焊接溫度為２５０℃就發(fā)生嚴重問(wèn)題，相差較遠；如果采用２％的定義，大致在２５０～２６０℃，比較吻合。

　　其他重要的參數包括分層溫度、吸水率、持續高溫能力即在某一高溫下分層時(shí)間如２５０℃／５０ｓ以及Ｚ軸ＣＴＥ，尤其是Ｔｇ以后的ＣＴＥ。此外，從理論上講，由于無(wú)鉛焊料相對較差的潤濕能力，必然要求活性相對較高的焊劑和相對較高的焊接溫度。這使得焊后ＰＣＢ的殘留物及其腐蝕特性加劇，影響表面絕緣電阻（ＳＩＲ），從而ＰＣＢ的電化學(xué)腐蝕（如ＣＡＦ）可能會(huì )更加突出，在惡劣環(huán)境下使用的電子產(chǎn)品（如汽車(chē)電子）等應當加以嚴格控制。

　?。?無(wú)鉛實(shí)施的兼容性

　　無(wú)鉛化是一項系統工程，在轉移過(guò)程中會(huì )涉及到大量的兼容性問(wèn)題，可以概括為材料兼容、元器件兼容、工藝兼容、設備兼容、設計兼容、質(zhì)量與可靠性兼容、操作兼容與環(huán)境兼容等八大類(lèi)。在過(guò)渡階段，最普遍的兼容問(wèn)題是所謂的前向與后向兼容問(wèn)題，即混合組裝問(wèn)題。將有鉛元器件與ＰＣＢ采用無(wú)鉛焊料進(jìn)行焊接稱(chēng)為前向兼容，反之，無(wú)鉛元器件與ＰＣＢ采用錫鉛焊料焊接稱(chēng)為后向兼容。

　　在前向兼容問(wèn)題中，對于諸如ＱＦＰ等引腳類(lèi)元器件，在焊接時(shí)將有少量的鉛引入到焊點(diǎn)中，即所謂的“鉛污染”問(wèn)題。少量的鉛對焊點(diǎn)的影響與焊料合金及其含量有關(guān)，如果鉛與焊料合金沒(méi)有形成新的合金相，當鉛在一定范圍內時(shí)是可以接受的。但對于高可靠性產(chǎn)品，應當謹慎處理。如有關(guān)研究表明：在ＳｎＡｇＣｕＩｎ波峰焊料中引入０.５％的Ｐｂ，物理特性、熔點(diǎn)溫度、機械強度、適應性方面無(wú)明顯變化，但疲勞壽命下降明顯。關(guān)于鉛引入形成第三相合金問(wèn)題，最典型的是含鉍（Ｂｉ）合金，鉛與Ｂｉ形成低熔點(diǎn)合金如圖３所示，因此是不兼容的。此外，在波峰焊中，鉛污染可能引起焊點(diǎn)剝離。

　　錫鉛ＢＧＡ器件進(jìn)行無(wú)鉛焊接如圖４所示，將產(chǎn)生大量的空洞，因為錫鉛焊球在１８３℃率先熔融，而ＳＡＣ焊膏在２１７℃才熔融，焊膏中大量的焊劑揮發(fā)物進(jìn)入焊球進(jìn)而形成大量的空洞。如果工藝設置合理，空洞情況可以控制在ＩＰＣ-７０９５限制的可接受范圍內。反之，對于無(wú)鉛ＢＧＡ器件進(jìn)行有鉛焊接的情況，如果采用有鉛焊料的溫度曲線(xiàn)，有鉛焊料先熔融，而無(wú)鉛焊端（球）不能完全熔化，使元件一側的界面不能生成金屬間化合物，未能形成焊接，不能接受；在形成連接的情況下，自對中效應很小，共面度問(wèn)題突出，細間距應用受限，一般不能接受。國際上對此做過(guò)大量的研究，如ｉＮＥＭＩ將ＳＡＣ與ＳｎＡｇ焊球的ＢＧＡ與錫鉛共晶焊料獲得相同的效果；ＪＥＩＴＡ使用ＳＡＣ３０５、ＳＡＣ１０５焊球的ＢＧＡ器件，采用２３４℃的峰值焊接溫度，１８３℃以上時(shí)間加長(cháng)，獲得正常結果；Ｔｅｘａｓ儀器公司采用峰值溫度２３５℃獲得與ＪＥＩＴＡ基本相同的結論，但Ｓｎ２.５Ａｇ１.０Ｂｉ０.５Ｃｕ焊球的ＢＧＡ效果很差；Ｉｎｔｅｌ公司采用２２２℃的峰值溫度同樣獲得可以接受的結果，并總結獲得成功的條件是焊球完全熔融并與共晶焊料混合。

　?。?無(wú)鉛組裝缺陷與可靠性

　　在無(wú)鉛轉移時(shí)，無(wú)鉛材料的內在特性自然會(huì )引起相應的無(wú)鉛組裝缺陷以及長(cháng)期可靠性問(wèn)題［５］。下面重點(diǎn)論述錫裂、空洞與微空洞、可焊性涂層對可靠性的影響以及備受關(guān)注的錫須問(wèn)題。

　?。?１ 錫裂

　　焊點(diǎn)在外力或工藝應力等作用下，在焊錫與焊盤(pán)或焊錫中間或焊錫與元件引腳、基體之間出現裂紋甚至斷裂的現象，稱(chēng)之為錫裂，如圖５所示。錫裂產(chǎn)生的主要機理是應力。如果焊點(diǎn)發(fā)生斷裂，將直接影響其電氣性能。如果出現裂紋而未形成斷裂或開(kāi)路，雖然在檢測時(shí)電氣性能可能未受影響，但裂紋的存在必將對產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生重大影響。

　　錫裂可以通過(guò)金相切片或染色檢測（針對ＢＧＡ）來(lái)判斷。染色檢測的目的是在Ｘ射線(xiàn)看不到的情況下觀(guān)測ＢＧＡ焊點(diǎn)是否有裂縫、空焊。如果是錫裂的焊點(diǎn)，拔開(kāi)后斷面是凹凸不平的，并且被染色；而拔斷的是正常焊點(diǎn)，則其斷裂面是平滑光亮的，沒(méi)有被紅膠染成紅色。根據這個(gè)特征，很容易就可以區分出拔斷的是正常焊點(diǎn)或者是發(fā)生錫裂的焊點(diǎn)。

　　在無(wú)鉛條件下，錫裂問(wèn)題更加嚴重，一方面是焊接溫度的提升，造成的工藝應力加大；另一方面是無(wú)鉛焊點(diǎn)的剛度比傳統錫鉛焊點(diǎn)的剛度高，而延展率低。因此，一旦承受外力（如在線(xiàn)測試、功能測試、插裝、系統裝配等）或工藝應力（熱變形等）時(shí)，無(wú)鉛焊點(diǎn)由于高剛度與低延展率將應力直接轉移到最薄弱或應力集中的環(huán)節，造成裂紋。圖６是無(wú)鉛錫裂及其成形機理。

　?。?２ 空洞與微空洞

　　在ＳＭＴ焊點(diǎn)中，存在各種形式的空洞，這里重點(diǎn)介紹包括在焊點(diǎn)中的空洞、微空洞以及柯肯達爾（ｋｉｒｋｅｎｄａｌｌ）空洞。無(wú)鉛焊接焊點(diǎn)中更多的空洞已經(jīng)成為業(yè)界的共識，但只要優(yōu)化工藝參數與工藝設計，空洞的大小可以控制在接受標準范圍內?？斩吹男纬稍蚝軓碗s，包括材料、設計與工藝，其
中最關(guān)鍵的是助焊劑。助焊劑排氣以及助焊劑的揮發(fā)性反應產(chǎn)物是形成空洞的直接原因?？斩磳煽啃缘挠绊懕容^復雜，目前尚無(wú)一致性的研究結論，ｉＮＥＭＩ正在深入研究之中。

　　在ＩＭＣ界面上出現的比較小的空洞，常見(jiàn)于浸銀（ＩｍＡｇ）的ＰＣＢ，這就是微空洞，如圖７所示［６］。它與柯肯達爾空洞的區別在于微空洞存在于ＩＭＣ的上方，而柯肯達爾空洞在ＩＭＣ的下方。從成形機理來(lái)看，微空洞是在焊接過(guò)程中形成的，與浸銀鍍層的質(zhì)量緊密相關(guān)，而柯肯達爾空洞是在焊后過(guò)程中逐步形成并慢慢擴大的，形成機理在于Ｃｕ與Ｓｎ相互擴散的速率不一致。

　?。?３ 可焊性涂層對可靠性的影響

　　可焊性涂層包括元器件引腳與ＰＣＢ焊盤(pán)的可焊性涂層。對于元器件的可焊性涂層，轉換到無(wú)鉛之后，傳統的占主導地位的ＳｎＰｂ涂層不能應用。從目前實(shí)際應用情況來(lái)看，主要包括純Ｓｎ，ＳｎＢｉ，ＮｉＰｄＡｕ，ＮｉＡｕ等幾種。對于無(wú)源器件而言，以純Ｓｎ為主；對于引線(xiàn)框架類(lèi)封裝，ＮｉＰｄＡｕ具有較強的優(yōu)勢；對于ＢＧＡ焊球，ＳｎＡｇＣｕ占主導地位；對于倒裝芯片，ＳｎＡｇ與ＳｎＣｕ最受歡迎。在可靠性影響方面，主要是純Ｓｎ的錫須問(wèn)題，這在細間距應用方面比較突出。

　　在ＰＣＢ可焊性涂層方面，替代傳統的熱風(fēng)整平（ＨＡＳＬ）ＳｎＰｂ包括浸銀（ＩｍＡｇ）、浸錫（ＩｍＳｎ）、ＥＮＩＧ（Ｎｉ／Ａｕ）、ＯＳＰ等。在可靠性影響方面，對于浸錫（ＩｍＳｎ）涂層，重點(diǎn)考慮錫須問(wèn)題；對于浸銀（ＩｍＡｇ）涂層，考慮微空洞對可靠性的影響，一般超過(guò)４～５個(gè)５０μｍ左右大小的微空洞就不可接受，關(guān)鍵是控制浸銀工藝；對于ＥＮＩＧ涂層，重點(diǎn)考慮“黑盤(pán)”問(wèn)題，關(guān)鍵是控制淀積Ａｕ與Ｎｉ的速率、厚度、均勻性、ｐＨ值控制以及磷的含量，有關(guān)技術(shù)要求可參考ＩＰＣ－４５５２（印制電路板化學(xué)鍍鎳／浸金涂層的技術(shù)條件）［７］。

　?。?４ 錫須（ｔｉｎｗｈｉｓｋｅｒ）

　　如前所述，無(wú)鉛轉移后，純Ｓｎ作為元器件引腳與ＰＣＢ可焊性涂層得到更廣泛的應用，但在其表面可能生長(cháng)錫須，這是一嚴重的可靠性問(wèn)題，是無(wú)鉛可靠性應用面臨的嚴峻挑戰之一。相應地，錫須成為無(wú)鉛可靠性研究的熱點(diǎn)。錫須是在純錫表面生長(cháng)出來(lái)的單晶組織，與枝晶有著(zhù)本質(zhì)的區別。影響錫須生成與生長(cháng)的可能因素包括：晶粒尺寸、晶粒大小、晶粒方向、工藝應力、外部應力、溫度、濕度、氫含量、有機絕緣物等。遺憾的是，但目前為止，尚未得到理想的研究結論，相當多的理論分析結果與試驗結果相矛盾。

　　目前，經(jīng)研究基本驗證并得到認同的是：應力是產(chǎn)生錫須的關(guān)鍵因素，特別是壓應力。應力的來(lái)源包括鍍錫過(guò)程中的工藝應力、ＩＭＣ成形、外部施加的應力、ＣＴＥ不匹配等。減少錫須生成的有以下可能方法：

（１）不要使用亮錫（亮錫電鍍后的殘余壓應力大）；

（２）用晶粒尺寸較大的灰錫可減緩ｗｈｉｓｋｅｒ生長(cháng)速度；

（３）用較厚的灰錫鍍層（８～１０μｍ，外表面無(wú)應力）；

（４）電鍍后２４ｈ內退火（１５０℃ ２ｈ或１７０℃１ｈ），以減少Ｓｎ層內應力；

（５）電鍍后２４ｈ內回流焊接，作用與退火相同；

（６）用Ｎｉ或Ａｇ阻擋層（０.１～２μｍ）防止Ｃｕ擴散形成Ｃｕ６Ｓｎ５的ＩＭＣ；此外Ｎｉ層在Ｓｎ膜下產(chǎn)生張應力可降低錫須生成；

（７）采用如ＮｉＰｄＡｕ等涂層替代純錫涂層。

　　在標準化方面，ＪＥＤＥＣ制訂了測試錫須生長(cháng)的規范ＪＥＳＤ２２Ａ１２１［８］，規范了錫須加速測試條件、錫須尺度測量方法、各級別電子產(chǎn)品可以接受的錫須長(cháng)度等。

　?。?小結

　　本文闡述了在無(wú)鉛轉移過(guò)程中涉及的可制造性與可靠性問(wèn)題，包括無(wú)鉛轉移對元器件、印制電路板與焊點(diǎn)的影響以及它們相互之間的兼容問(wèn)題。重點(diǎn)論述了前向兼容與后向兼容、錫須、空洞與微空洞、可焊性涂層以及如何避免無(wú)鉛轉移中出現的問(wèn)題。