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电子产品无Pb制程的工艺可靠性问题-【明升体育】vip会员

时间:2020-10-02
一、阐述随着电子信息产业的日新月异,识间距器件发展一起,装配密度更加低,问世了新型SMT、MCM技术,如图1右图。图1微电子学芯片PCB技术的发展现在微电子器件中的焊点更加小,但其所支撑的力学、电学和热力学负荷却越来越重,对可靠性的拒绝也日益升高。电子PCB中普遍使用的SMTPCB技术及新型的芯片尺寸PCB(CSP)、钎料球阵列(BGA)等PCB技术皆拒绝通过焊点必要构建异材间电气及刚性机械相连(主要忍受剪切突发事件),它的质量与可靠性要求了电子产品的质量。一个焊点的过热就有可能导致器件整体的过热,因此如何确保焊点的质量是一个最重要问题。传统SnPb钎料含Pb,而Pb及Pb化合物科剧毒物质,长年用于含Pb钎料不会给人类身体健康和生活环境带给严重危害。目前电子行业对无Pb焊的市场需求更加急迫,早已对整个行业构成极大冲击。无Pb钎料早已逐步代替有Pb钎料,但无Pb化制程由于钎料的差异和焊工艺参数的调整,必不可少地会给焊点可靠性带给新的问题。因此,无Pb焊点的可靠性也更加受到重视。二、无Pb制程定义及系统考虑到(1)无Pb制程定义RoHS中规定禁令用于铅(Pb)、汞(Hg)、镉(Cd)、六价铬(Cr6+)、多溴联苯(PBB)、多溴二苯醚(PBDE)6种有害物质,实行日期是2006年7月1日。这意味著,从这天起,所有的EEE(电气、电子设备),那些免税的除外,一旦它们所含这6种停止使用物质,就无法在欧盟市场上销售。无一停止使用物(如无Pb)的定义是什么?这6种停止使用物质在任何一个EEE的均匀分布材质中所容许的仅次于浓度值(MCV)已在EU公报上发布,并在2005年8月18日法律。条款5(1)(a)规定,铅、汞、六价铬、多溴联苯(PBB)、多溴二苯醚(PBDE)均匀分布材质的MCV皆为0.1wt%,镉的MCV为0.01wt%。非常简单地谈,以无Pb为事例,定义为任何一个EEE在所有的(单个的)均匀分布材质中,Pb含量大于0.1wt%。(2)无Pb制程的系统考虑到电子产品无Pb制程代替目前的有Pb工艺,已是大势所趋。它于是以从研发南北产业化,自小批试产南北大规模量产,从消费类产品不断扩大到绝大多数的产品类型,相容沦为一个关键问题。在无Pb制程中,不管可靠性否超过在严苛环境中用于的电子产品的拒绝,都是必需注目的。严苛环境的定义是:凡是必需长时间在温度大幅增高、持续忍受相当大阻抗、温度轻微变化、尤其低的温度、很强的机械碰撞或振动、腐蚀性等环境中工作的产品,或者同时要在上述几种情况或者所有情况下用于的产品,皆归属于“在严苛环境下用于的电子产品”范畴。更进一步谈,由于电路设计方面的局限性,焊点两边的热膨胀系数相当严重失配,也可以列为严苛环境的范畴。从有Pb焊过程到无Pb焊的系统性考虑到,还包括设计、材料、工艺、质量,以及可靠性、设备、操作者和商业化等多方面,而无Pb钎料的系统相连可靠性则是无Pb切换的关键。无Pb焊的系统考虑到如图2右图。

电子产品无Pb制程的工艺可靠性问题

图2无Pb焊的系统考虑到三、电子产品无Pb制程工艺可靠性解读电子产品无Pb制程是怎样影响到产品性能和工艺掌控的,这是其继续执行的核心内容。从富Pb材料转换到无Pb材料时,过热模式和效果分析(FMEA)是有差异的。从机械看作,典型的无Pb材料要比含Pb低的材料软。硬度对插座设计、电气认识(电阻和认识电阻)及整个焊点皆有影响。不仅无Pb合金具备质地的特点,就连表面氧化物、助焊剂残留物、合金污染物等残余覆盖物人组,也能在电气认识和认识电阻上产生多种影响。因此,电子产品从富Pb向无Pb制程的切换,在电气或机械方面都不是一个普通的更换。当较为无Pb和富Pb钎料时,由于尺寸的变化,在倒装芯片的钎料球和μBGAPCB间会产生持久性的变化。Pb是较为硬的更容易变形,因此无Pb制程的焊点硬度比有Pb的高,强度好些,变形也小些。但这一切并不等于无Pb制程焊点的可靠性好,由于无Pb钎料的润湿性劣,空洞、移位、立碑等焊缺失较为多。由于熔点低,如果助焊剂的活化温度无法因应低熔点的较高温度和较长时间的助焊剂增生区的话,就不会使焊面在高温下新的水解而无法再次发生增生和蔓延效果,无法构成较好的界面合金层,其结果是造成焊点界面融合强度(抗拉强度)差而减少可靠性。四、影响电子产品无Pb制程工艺可靠性的因素无Pb焊点的可靠性问题主要源于:●焊点的剪切疲惫与脆性裂纹;●电迁入、钎料与基体金属界面金属间化合物构成裂纹;●Sn晶须生长引发短路;●电生锈和化学生锈问题。无Pb焊工艺可靠性是一个非常复杂的工程问题,归纳起来主要各不相同工艺可靠性设计、工艺操作者规范及工艺管理等诸多因素,如图3右图。图3影响无Pb焊点工艺可靠性的因素与传统的有Pb工艺比起,无Pb化焊由于钎料的差异和工艺参数的调整,必不可少地会给焊点可靠性带给一定的影响。首先是无Pb钎料的熔点较高。传统的Sn37Pb共晶钎料熔点是183℃,而共晶无Pb钎料(SAC387)的熔点为217℃,温度曲线的提高随之带给的是钎料不易水解,金属间化合物生长很快等问题。其次,由于无Pb钎料不不含Pb,润湿性劣,更容易造成产品焊点的自校准能力、剪切强度、剪切强度等无法满足要求。以某OEM公司为事例,原含Pb工艺焊点不合格率平均值在50ppm左右,而无Pb制程由于钎料润湿性劣,不合格率下降至200~500ppm。与传统的含Pb工艺完全相同,影响无Pb工艺焊点可靠性的因素也可以大体分成特例几个方面。1.钎料合金的影响钎料合金的自由选择极为重要。目前,大多使用SAC合金系列,液相温度是217~227℃,这就拒绝再行东流焊接具备较高的峰值温度,如前所述不会带给钎料及导体材料(如Cu箔)不易高温水解,金属间化合物生长很快等问题。因为在焊过程中,熔融的钎料与焊衬底认识时,由于高温在界面不会构成一层金属间化合物(IMC)。其构成不但不受再行东流焊温度、时间的掌控,而且在后期用于过程中其厚度还不会随时间而减少。界面上的IMC是影响焊点可靠性的一个关键因素。过薄的IMC层的不存在不会造成焊点脱落、韧性和抗低周期疲惫能力上升,从而造成焊点的可靠性减少。无Pb钎料中Sn含量都比SnPb钎料低,这更加减小了焊点和基体金属间界面上构成IMC的速率,造成焊点提早过热。另外,由于无Pb钎料和传统SnPb钎料成分有所不同,因而它们和焊盘材料,如Cu、Ni、Ag、Pd等的反应速率及反应产物也有可能有所不同,焊点也不会展现出出有有所不同的可靠性。同时钎料和助焊剂的兼容性也不会对焊点的可靠性产生十分大的影响,有研究指出:钎料和助焊剂各成分之间不相容不会造成附着力增大。此外,由于热膨胀系数(CTE)不给定,又不会减缓钎料周期性的疲惫过热。因此,要特别注意自由选择兼容性优良的钎料和助焊剂,才能忍受寄居无Pb再行东流焊接时的高温冲击。●目前有Pb钎料合金大都用于的是Sn37Pb,熔点为183℃。●目前业界无Pb制程再行东流焊中“主流”钎料合金是SAC,其中应用于最广的成分是SAC305和SAC387(共晶组分),前者熔融温度范围为217~220℃,后者为共晶组分,熔点为217℃,而波峰焊接则有可能是SAC305或Sn0.7Cu(x)(熔点为227℃)。SAC合金和SnCu(x)合金享有有所不同的可靠性特性。由上由此可知,无Pb共晶组分SAC387比有Pb共晶组分Sn37Pb合金的熔点要高达34℃。似乎,从有Pb焊改变到无Pb焊并某种程度是全然的材料表达式而已,它还带给了许多可靠性方面的后遗症。微电子领域用于的钎料具有很严苛的性能拒绝,无Pb钎料(以SAC为事例)也不值得注意,不仅还包括电学和力学性能,还必需具备理想的熔融温度。从生产工艺和可靠性两方面考虑到,表格1所列了钎料合金的一些最重要性能。表格1钎料合金的最重要性能2.元器件影响元器件可靠性的因素如下。(1)高温影响。某些元器件,如塑料PCB的元器件、电解电容器等,受高的焊温度的影响程度要多【明升体育】vip会员达其他因素。(2)Sn晶须的影响。Sn晶须是长寿命的高端产品中细致间距元器件更为必须注目的另一个问题。无Pb钎料合金皆科低Sn合金,长Sn晶须的概率比SnPb低得多。通过容许Sn层厚度来容许晶须的最后长度并不实际。人们广泛坚信加到3wt%或更加多Pb可避免晶须的构成,并且这种现象很少在SnPb焊点上再次发生。虽然有时候仔细观察到SnPb钎料中长出长约25~30μm的晶须,但有可能是在大电流下电迁入效应造成的出现异常两县现象。(3)形变的影响。SAC合金也不会给元器件带给更大的形变,使低k介电系数的元器件更加不易过热。(4)焊端表面镀层的影响。无Pb元器件焊端表面镀层的种类很多,有镀上显Sn和SAC的,也有镀上SnCu、SnBi等合金的。镀Sn的成本较为较低,因此使用镀Sn工艺较为多。但由于Sn表面更容易水解构成外壳的水解层,再加电镀后易产生形变构成Sn晶须。Sn晶须在较宽间距的器件QFP等更容易导致短路,影响可靠性。故对于低端产品及寿命拒绝大于5年的元器件可以镀上显Sn。而对于低可信产品及寿命拒绝小于5年的元器件,则不应再行镀上一层厚度为1μm以上的Ni,然后再行镀上2~3μm薄的Sn。(5)零部件的供应质量问题。由于各部件皆来自于有所不同厂商,因而部件质量不免参差不齐,如器件插槽可焊性严重不足等。由于以前的热风整平(HASL)焊盘涂层工艺不存在缺点,如今的OEM厂商应用于较普遍的还包括有机可焊性保护层(OSP)等涂层工艺。3.PCB(1)基材某些PCB(尤其是大型简单的厚PCB)根据层压材料的属性,可能会由于无Pb焊温度较高而造成分层、层压裂痕、Cu裂缝、CAF(导电阳极丝)等过热故障率下降。它还各不相同PCB表面涂层,例如钎料与Ni层(ENIG涂层)之间的黏合要比钎料与Cu(如OSP和洗银)之间的黏合更加不易脱落,特别是在机械碰撞下(如跌入测试中)最为显著。(2)焊盘涂层表面处置的最主要起到就是保证金属基底(一般来说是铜)的可焊性。由于以前的热风整平(HASL)焊盘涂层工艺不存在缺点,可替代的表面涂层还包括:有机可焊性保护膜(OSP)、Ni/Au、Ni/Pd/Au、Im-Sn和Im-Ag等。其中Ni/Au涂层又有ENIGNi/Au和EGNi/Au两种。无论自由选择哪种表面处置,它都必需保持准确的信号完整性,保证在任何情况下信号完整性都会上升。自由选择准确的镀层还必须考虑到的问题还包括:电磁兼容(EMI)、认识电阻和焊点的强度。最后用于的表面处置要不利于掌控电磁干扰。它还无法因为时间宽而减少性能,否则在表面处置层/焊盘的相连部位不会经常出现外泄导致电磁干扰的问题。EGNi/Au和ENIGNi/Au都不存在显著的可靠性问题,SnPb焊点在EGNi/Au焊盘上的黏合强度在用于几年后就有可能大幅度上升。由于无法对Au镀层的厚度实行有效地且完全一致的掌控,因此,建议在SnPb焊中不使用Ni/Au的焊盘。(3)PCB厚度的影响完全相同PCB加装到有所不同厚度的PCB上的温度循环结果是:在用于的条件范围内,较薄的PCB享有较长的温度循环寿命。事实上,薄PCB更加无以使得PCB的热膨胀和膨胀相符,因此在焊点处造成了较小的热应力。4)焊盘定义对焊点可靠性的影响完全相同PCB分别使用NSMD和SMD焊盘定义,如图4右图。以纯有Pb情况为事例,将元器件相连到PCB上后,焊点的可靠性是不一样的。