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無鉛電子產品可靠性(1)

作者:不詳 ; 發布時間:2019-6-27 8:14:22 ; 來源:互聯網  點擊:

清華-偉創力SMT 實驗室 王豫明 勘利 王天曦

電子產品的可靠性是指整個連接系統的,而不單指焊點,它還包括PCB、元器件。無鉛焊接與Sn/Pb 焊接相比,只有短短的十幾年,而研究Sn/Pb 的可靠性已經40-50 年了,很清楚地知道有哪些問題。無鉛我們還不知到有哪些問題。有些問題有答案,有些還沒有答案,只是剛剛提出,對于無鉛可靠性的問題是工業界面臨最緊迫的問題。本文提出一些工業界面臨的電子板級產品可靠性問題,供大家參考、討論。

一、電子產品可靠性概念
  1.可靠性定義可靠性是指產品在規定的時間內,在規定的條件下,完成規定任務的概率和可能性。電子產品和系統是在一定的應用條件下、一定使用時間內發揮作用。各種產品的應用條

件各不相同,如空調主要是溫濕度的影響,而沖擊的變化不大;汽車電子,不僅溫濕度變化很大,而且震動很大,機械沖擊也很大。各種電子產品的使用壽命要求也不一樣,如手機,壽命1-3 年;而汽車電子、通訊設備的壽命要求很高。所以在特定條件下,在特定時間范圍內,我們希望產品的失效不能超過某一個程度,完成產品所能完成任務的概率或可能性就是產品的可靠性可靠性是和相應的載荷、使用環境、應用周期有關。
電子產品是由各部件互連組成,其中最重要的是PCB 組裝連接,連接的失效也是一個概率問題,它設涉及到焊點、PCB、元件失效的概率。除此之外,PCB 的裝配還涉及到電化學失效概率。PCB 組裝連接可靠性對產品的可靠性起著至關重要的作用,稱為板級產品的可靠性。它涉及的問題主要是焊點、PCB、元件以及電化學可靠性
  2. 載荷條件可靠性是相對于一定載荷條件的概率。所以可靠性一定是指在某種載荷條件的可靠性。載荷條件是指任何條件加入系統上,使系統的性能惡化或影響可靠性的條件,都是載荷

條件。載荷是一個廣義的載荷,不光只是熱沖擊、熱循環。系統在很多情況下所受到的是機械載荷,但又并不完全是機械載荷,它還包括溫度、濕度、電壓、電流等條件,在這些條件下,也會造成產品的失效,也是一種載荷。所以載荷要廣義的理解。
機械載荷是電子產品常受到的載荷,它又分為周期性載荷和沖擊性機械載荷;周期性載荷也有低周期載荷和高周期載荷之分。  低周期載荷
計算機開機、關機冷熱周期性變化、汽車電子周圍環境的變化都屬于周期性載荷,也稱熱機械載荷。高低溫熱循環試驗就是模仿實際應用中的熱機械載荷,來分析焊點的失效原因。焊點產生失效的主要原因是PCB 與安裝元件兩者的熱膨脹系數不匹配造成。例如PCB 焊盤上安裝陶瓷片狀電阻,兩種材料的熱膨脹系數分別為:陶瓷3-5ppm /℃,PCB 16-25ppm / ℃。陶瓷和PCB 材料比較硬,而焊料較軟。當溫度從0 度上升到100 度,PCB 以16-25 的速率膨脹,而陶瓷膨脹速率很慢,使焊點處入受拉狀態;當溫度從100 度下降到0 度時,相反程度發展,焊點受到周期性的剪切應力應變,當循環達到1000-6000 次時,焊點出現力學的疲勞裂紋。由于在循環次數不高的情況下發生疲勞失效,稱作低周疲勞。
出現低周疲勞另一個原因是,當焊點的工作溫度(以K 式溫度計算)占熔點的80%-90%時,材料內部的變化處于熱敏期間,溫度升高以后晶粒長大,應力應變也會促使晶粒長大,焊點的機械性能下降。當晶粒粗化、軟化后出現小的裂紋,周期性載荷使裂紋擴展,最后在循環周數不高的情況下整個焊點失效。焊點在一個很殘酷的應用條件下工作,如環境條件150 ℃,比較接近焊料的熔點(183 ℃、217℃),常發生低周疲勞失效。高周期載荷
電子產品除了受到低周載荷外,還會受到周期性彎曲載荷、周期性的震動等,由于沒有溫度的作用,都稱周期性機械載荷。由于它能達到上萬次循環才使產品失效,所以稱高周期載荷。比如按壓鍵盤的次數可以做到100 萬次。每次都是一個疲勞過程。每次按下都沒有超過它的機械強度,但按了很多次后,產品疲勞失效。沖擊性載荷
有些產品如手機意外跌落會受到載荷沖擊;有些板做ITC 時,會對PCB 施加一定的力,這些力使印制板受到損壞。這些載荷是非周期性的,稱作沖擊載荷。
  3.電子產品失效方式

電子產品失效方式主要有裂紋、斷裂、電性能失效等。在機械載荷條件下,疲勞失效以裂紋的產生和擴大方式。沖擊性載荷會以脆性斷裂的失效方式,應力比較集中造成,界面比較明顯。電化學載荷以電遷移和晶枝的生長而失效。
二、焊點可靠性
兩個主要因素影響焊點的可靠性,第一焊點本身的特征;第二加載到焊點上的載荷條件。焊點的可靠性取決于焊點上所受應力的程度。
  1. 焊點本身的特征

焊點本身的特性與下列因素有關:焊料合金成分/微觀結構、焊料與元件端頭及焊盤連接、焊點的形狀與大小、焊點中的空洞。焊料合金成分以及微觀結構
不同成分的合金材料,由于熔點的不同,所受熱應力不同;表面張力不同,導致潤濕性不同;熱膨脹系數的不同,如焊料與引腳材料的熱膨脹系數存在差異,導致焊料與界面、焊點的應力差異;這些都會影響焊點可靠性。另外,不同金屬材料受電化學的影響程度會不一樣,有些會很敏感,有些不敏感,對焊點可靠性也會產生影響。
使用的焊料、焊膏材料不同對于焊點機械性能的影響是不同的。常用的SnAgCu 焊料,其中Ag 的作用是:添加一定量的Ag,形成細小晶粒Ag3Sn,對合金的機械性能改善很大,添加到3.5wt %的Ag 時,SnAg 焊料的屈服強度和拉伸強度達到最高。但添加Ag 含量超過4%,在焊料中會生成Ag3Sn 的大板塊結構(如圖1),熱疲勞中,裂紋會在板塊和焊料的交界面形成并擴展,造成可靠性的降低。SnAg 焊料中加入Cu 不僅維持SnAg 焊料良好的合金性能,同時降低了熔點。所以推薦使用Sn3Ag0.5Cu 的焊料。
另一種波峰焊接材料SnCu(如共晶Sn0.75Cu )系,其高溫保持性能和熱疲勞等可靠性比SnAg 系差,原因是SnCu 在高溫下(如100℃),微細共晶組織(Sn5Cu6 微細顆粒+Sn) 會轉變成分散的Sn5Cu6 粗大組織,導致可靠性降低。添加微量的Ag、Ni,材料成分發生細微變化,但機械性能及可靠性發生很大變化。如在SnCu 合金中添加0.1% 的Ag,塑性提高50%。
合金焊料的微觀結構也會影響焊點的可靠性。如錫的各向異性對熱疲勞失效起著非常關鍵作用。無鉛合金是高含錫材料,β-Sn 具有很高的各向異性性,如96.5Sn-3.5Ag 的a/c=0.56 (見圖2)。錫的各向異性特性可以用取向圖像顯微鏡(OIM:Orientation Image Microscopy) 驗證。由于相鄰錫晶粒之間的取向不同,將會引起內應力,在熱疲勞作用下,最大正應力使焊點產生表面拱起,最大剪應力使晶界滑移和分離等變形。


圖1 .Ag 含量過多生成大板塊的Ag3Sn 圖2。β-Sn 的各向異性
  焊點與焊盤、元件端頭界面的結合形式
在焊接過程中,焊料與元件端頭、PCB 表面發生潤濕、擴散等反應,形成金屬間化合物界面(IMC)。界面的形態對連接的可靠性影響很大,無論是界面結合層的成分還是厚度都會有影響。由于金屬間化合物比較脆,與元件端頭材料、PCB 表面材料的熱膨脹系數差別很大,結合層很厚情況下,容易龜裂,因此掌握界面結合層的形成及長大機理,對確保可靠性非常重要。
如果是Cu 基材(如PCB 上涂覆OSP)與SnAgCu 焊料發生反應,則界面是Sn5Cu6; SnCu3 兩層結構,SnCu3 很薄,厚度小于1µm,在電鏡下有時觀察不到(如圖3),只有Sn5Cu6 結構。金屬間化合物層的生長速率取決于原子在化合物中的擴散速度和界面生成化合物的反應速度兩個因素。由于SnAgCu 焊料與Cu 在時效過程中的反應較緩慢,Sn5Cu6 的金屬間化合物生長緩慢,焊點能保持較高的剪切強度。

如果是Ni 基材上涂覆Au 或Sn,如ENIG 的PCB 或片式陶瓷元件的端頭鍍Ni/ Sn, SnAgCu 焊料與PCB、元件端頭的表面發生反應,金、Sn 溶進焊料,這時的界面是Ni3Sn4 的界面;一般Ni 阻檔層并不是純Ni 層,通常為Ni-P 層。如果Ni-P 層較薄,Ni 從鍍層向焊錫一側擴散,形成Ni3Sn4,這樣Ni-P 中的Ni 欠缺,P 剩余,形成富P 的Ni.層。Ni3Sn4 與富P 的Ni 層界面附近容易形成克根達耳(kirkendall )空洞,即由于擴散速率的不同所產生的,通常情況下這種空洞不能被X-ray 檢測到,可以用SEM 觀察到。這些空洞附近連接強度降低,因此容易發生連接不良或性能劣化,使可靠性降低。見圖4。
當無鉛焊料直接與AgPd 表面反應時,也會產生形狀和可靠性很差的焊點。
所以在進行焊接工藝時,首先分析焊接材料、元件端頭的材料以及PCB 表面的涂覆材料,采用相關焊接工藝,得出焊接后結合層的成分和厚度,這樣才能對所采用的工藝是否正確做到心中有數。
結合層的厚度,一般0.5-2.5µm 比較好,這是通常的工藝控制區域(見圖5),因為要考慮返修留有一定的空間。同時也要考慮產品的使用要求不同,對結合層要求也會有所不同。比如,單面焊接的板,結合層可以稍厚,因為后道工序PCB 不再受熱,結合層不會增加;而雙面焊接的板,要考慮經受2 次高溫后焊點的結合層滿足強度要求,結合層厚度就要通過工藝參數嚴格控制。

圖5.IMC 的工藝控制區圖6.BGA 焊點常發生失效的部位
  焊點的形狀與大小
焊點的形狀與大小決定了焊點上的應力應變分布。如BGA 的焊球,應力通常集中在焊球與芯片的界面,所以失效裂紋常發生在這些地方(見圖6)。焊點的高度也會影響應力分布,焊點越高應力分布越小。又如CBGA 上陶瓷載體與PCB 的CTE 不匹配造成焊球上承載高應力,CCGA 由于立柱在熱膨脹時有一定的變形能力,緩解了焊點上的應力集中,可靠性能力較高。空洞
空洞在焊點中經常見到,很容易被普通的X-ray 檢測到。它產生的原因主要有以下幾個方面:
第一, 在回流過程中,焊膏中的助焊劑及溶劑氣體本來就不容易從融化的液態焊料中跑出去,因而在焊點中形成空洞。另外,回流焊中由于助焊劑的排氣作用,使氣體進入焊料中,如無鉛焊膏中的焊劑進入有鉛BGA 焊球中,當焊料冷卻時,形成焊點空洞。加之溫度曲線設定不合理,錫膏中助焊劑沒揮發掉,也會加重空洞的形成()。
第二,波峰焊、回流焊、手工焊過程中,焊點中也會進入空氣形成空洞。 第三,焊點固化過程中由于焊料收縮而形成空洞。 第四,PCB板和基材對空洞的形成也產生影響。 電路板的設計也是形成空洞的一個主要原因。例如,焊盤中設計過孔,在焊接的過程中,
外界的空氣通過過孔進入熔溶狀態的焊球,焊接完成冷卻后焊球中就會留下空洞。
多層板微盲孔也會使焊點空洞增加。因為,對于沒有堵孔的微盲孔,錫膏無法全部填滿而存在有空氣,在回流焊中空氣膨脹進入錫球形成空洞。BGA 焊點中,常發現空洞機率最多的位置是芯片載體的PCB 與BGA之間的部分(見圖7)。
焊盤的鍍層不好或焊盤表面有污染都可能是在焊料與焊盤間出現空洞的原因(見圖8)。由于無鉛焊料的表面張力比鉛錫焊料大,具有較高的聚合力,在焊點結晶時可能出現非共晶組織,在高溫下更容易氧化,所以無鉛焊接更容易出現氣孔。是焊接中常見的問題(見圖9)。

圖7. BGA 發生空洞幾率最多處圖8.焊料與PCB 界面的空洞圖9. 無鉛焊點的空洞是常見問題
空洞的大小和位置會影響焊點的可靠性。空洞在界面上,會造成局部過熱,或可能增強應力和應變,因此可以減少焊點的結構完整性,降低了焊點的可靠性;然而,空洞在焊點里面,如果恰好在裂縫的頂點處,而且應力集中在空洞的周圍,這些空洞不足夠大來產生新的裂縫,那樣就會有助于減少裂縫。
IPC7095 中對BGA 焊點上空洞的接收/拒收作了規定。標準主要考慮兩點:空洞的位置及尺寸。空洞不論是存在于什么位置,是在焊料球中間、焊盤層(靠近PCB 界面)或組件層(靠近IC 界面),視空洞尺寸及數量不同都會造成質量和可靠性的影響。焊球內部允許有小尺寸的焊球存在。空洞所占空間與焊球空間的比例可以按如下方法計算:例如空洞的直徑是焊球直徑的50%,那么空洞所占的面積是焊球的面積的25%。IPC標準規定的接收標準為:焊盤層的空洞不能大于10%的焊球面積,也即空洞的直徑不能超過30%的焊球直徑。當焊盤層空洞的面積超過焊球面積的25%時,就視為一種缺陷,這時空洞的存在會對焊點的機械或電的可靠性造成隱患。在焊盤層空洞的面積在10%~25%的焊球面積時,
應著力改進工藝,消除或減少空洞。
表1 IPC7095 對BGA 焊點上空洞的規定
孔洞的位置   1 級  2 級   3 級
焊球中的空洞      
% 直徑   60%   45%   30%
% 面積   36%   20%   9%
焊球與基板界面      
% 直徑   50%   25%   20%
% 面積   25%   12%   4%
2. 焊點上的載荷條件     

施加到焊點上的載荷條件不同,如熱機械載荷、機械沖擊載荷,對焊點的可靠性影響也不同,也就是說焊點上所受應力的程度不同。
焊點在受熱機械載荷時,其上的應力又由循環條件如溫度高低、溫差的大小以及在高溫和低溫停留時間的長短等決定;同時還有其它因素,如CET 是否匹配、元件尺寸、應力率等的影響。其中CTE、溫度、器件的大小這三個主要的因素決定焊點的應力與大小。熱機械載荷對焊點的影響
矩形元件的焊點在熱機械載荷下常發生的失效,失效位置不是在PCB 與焊料的IMC 界面,而是位于IMC 附近的焊料中(見圖10)。導致熱疲勞失效的各種影響因素有:蠕變/應力松弛、時效、各溫度極限停留時間的長短、拉/壓雙向應力、錫元素的各向異性。

圖10. 焊點的熱機械失效在IMC 附近的焊料中圖11. 蠕變疲勞失效
蠕變是熱疲勞溫度曲線中溫度極限停留時間下,應變控制的疲勞。當材料加上凈載,隨著時間的變化,在一定溫度條件下的變形情況,即應變控制行為。蠕變的結果是焊點出現剪切帶、晶界滑移現象(見圖11)。所以蠕變對焊點失效有一定的影響。
時效是焊接完成后,將焊點放在爐內一段時間,在一定溫度下,焊點的結構發生變化,主要是導致金屬間化合物的形成并長大(見圖12、圖13),使焊點強度減少。因此在熱疲勞溫度曲線的高溫極限停留階段是對IMC 的生長起關鍵作用,這對于那些需要做高低溫循環測試的產品特別引起注意,尤其是軍品或高可靠性產品。在SMT 工藝中,焊接參數的設置需要足夠重視,焊接溫度和時間不能使產品的結合層做到上限的厚度,一旦經過高溫老化,又會增加結合層的厚度,導致焊點強度減弱,使焊點失效。時效對熱循環失效并不起主要的作用,因為焊點的失效裂紋主要發生在靠近金屬間化合物附近的焊料中,不在金屬間化合物層上。長大的金屬間化合物對焊點的抗拉強度有影響,對熱疲勞失效影響不大。

圖11。時效前 (共晶Sn-Ag) 圖12。時效后(180oC, 1400 小時)
長時間在低溫極限停留,焊點表面會產生失效損傷,晶粒之間有滑移損傷,力學性能降低,強度降低很大。由于高溫愈合效果,長時間在高溫極限停留,焊點表面無明顯損傷。實際環境溫度的變化使焊點受到拉/壓雙向應力,這是影響焊點熱機械疲勞失效的重要影響因素。這在后面會有案例分析。

 
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