決定無(wú)鉛焊接互連可靠性的七個(gè)因素

　　隨著(zhù)越來(lái)越多的無(wú)鉛電子產(chǎn)品上市，可靠性問(wèn)題成為許多人關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。與其它無(wú)鉛相關(guān)問(wèn)題(如合金選擇、工藝窗口等)不同，在可靠性方面，我們經(jīng)常會(huì )聽(tīng)到分歧很大的觀(guān)點(diǎn)。一開(kāi)始，我們聽(tīng)到許多“專(zhuān)家”說(shuō)無(wú)鉛要比錫鉛更可靠。就在我們信以為真時(shí)，又有“專(zhuān)家”說(shuō)錫鉛要比無(wú)鉛更可靠。我們到底應該相信哪一個(gè)呢？這要視具體情況而定。

　　無(wú)鉛焊接互連可靠性是一個(gè)非常復雜的問(wèn)題，它取決于許多因素，我們簡(jiǎn)單列舉以下七個(gè)方面的因素：

　　1)取決于焊接合金。對于回流焊，“主流的”無(wú)鉛焊接合金是Sn-Ag-Cu(SAC)，而波峰焊則可能是SAC或Sn-Cu。SAC合金和Sn-Cu合金擁有不同的可靠性性能。

　　2)取決于工藝條件。對于大型復雜電路板，焊接溫度通常為260(C，這可能會(huì )給PCB和元器件的可靠性帶來(lái)負面影響，但它對小型電路板的影響較小，因為最大回流焊溫度可能會(huì )比較低。

　　3)取決于PCB層壓材料。某些PCB (特別是大型復雜的厚電路板)根據層壓材料的屬性，可能會(huì )由于無(wú)鉛焊接溫度較高，而導致分層、層壓破裂、Cu裂縫、CAF (傳導陽(yáng)極絲須)失效等故障率上升。它還取決于PCB表面涂層。例如，經(jīng)過(guò)觀(guān)察發(fā)現，焊接與Ni層(從ENIG涂層)之間的接合要比焊接與Cu (如OSP和浸銀)之間的接合更易斷裂，特別是在機械撞擊下(如跌落測試中)。此外，在跌落測試中，無(wú)鉛焊接會(huì )發(fā)生更多的PCB破裂。

　　4)取決于元器件。某些元器件，如塑料封裝的元器件、電解電容器等，受到提高的焊接溫度的影響程度要超過(guò)其它因素。其次，錫絲是使用壽命長(cháng)的高端產(chǎn)品中精細間距的元器件更加關(guān)注的另一個(gè)可靠性問(wèn)題。此外，SAC合金的高模量也會(huì )給元器件帶來(lái)更大的壓力，給低k介電系數的元器件帶來(lái)問(wèn)題，這些元器件通常會(huì )更加易失效。

　　5)取決于機械負荷條件。SAC合金的高應力率靈敏度要求更加注意無(wú)鉛焊接界面在機械撞擊下的可靠性(如跌落、彎曲等)，在高應力速率下，應力過(guò)大會(huì )導致焊接互連(和/或PCB)易斷裂。

　　6)取決于熱機械負荷條件。在熱循環(huán)條件下，蠕變/疲勞交互作用會(huì )通過(guò)損傷積聚效應而導致焊點(diǎn)失效(即組織粗化/弱化，裂紋出現和擴大)，蠕變應力速率是一個(gè)重要因素。蠕變應力速率隨著(zhù)焊點(diǎn)上的熱機械載荷幅度變化，從而SAC焊點(diǎn)在“相對溫和”的條件下能夠比Sn-Pb焊點(diǎn)承受更多的熱循環(huán)，但在“比較嚴重”的條件下比Sn-Pb焊點(diǎn)承受更少的熱循環(huán)。熱機械負荷取決于溫度范圍、元器件尺寸及元器件和基底之間的CTE不匹配程度。

　　例如，有報告顯示，在通過(guò)熱循環(huán)測試的同一塊電路板上，帶有Cu引線(xiàn)框的元器件在SAC焊點(diǎn)中經(jīng)受的熱循環(huán)數量要高于Sn-Pb焊點(diǎn)，而采用42合金引線(xiàn)框的元器件(其PCB的CTE不匹配程度更高)在SAC合金焊點(diǎn)中比Sn-Pb焊點(diǎn)將提前發(fā)生故障。也是在同一塊電路板上，0402陶瓷片狀器件的焊點(diǎn)在SAC中通過(guò)的熱循環(huán)數量要超過(guò)Sn-Pb，而2512元器件則相反。再舉一個(gè)例子，許多報告稱(chēng)，在0℃和100℃之間熱循環(huán)時(shí)，FR4上1206陶瓷電阻器的焊點(diǎn)在無(wú)鉛焊接中發(fā)生故障的時(shí)間要晚于Sn-Pb，而在溫度極限是-40℃和150℃時(shí)，這一趨勢則恰好相反。

　　7)取決于“加速系數”。這也是一個(gè)有趣的、關(guān)系非常密切的因素，但這會(huì )使整個(gè)討論變得復雜得多，因為不同的合金(如SAC與Sn-Pb)有不同的加速系數。因此，無(wú)鉛焊接互連的可靠性取決于許多因素。這些因素錯綜復雜、相互影響，其詳細討論可以參見(jiàn)最新出版的圖書(shū)《無(wú)鉛焊接互連可靠性》：www.asminternational.org/leadfree

　　本文轉譯自Global SMT & Packaging

　　作者：上官東愷博士

　　偉創(chuàng )力公司總部技術(shù)部高級組裝與環(huán)境技術(shù)高級總監