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無鉛電子產品可靠性(2)

作者:不詳 ; 發布時間:2019-6-27 8:19:06 ; 來源:互聯網  點擊:

3.無鉛SAC 焊點與有鉛Sn/Pb 焊點可靠性比較

曾經流行一種說法,無鉛比有鉛更可靠,熱循環次數比較高。但經過多次試驗發現,無鉛與有鉛可靠性的比較,取決于器件的形狀、類型和熱循環的條件,不能簡單地回答哪個可靠性更好。世界各大公司和組織紛紛進行了無鉛可靠性分析實驗,部分結果如下:
案例1:某EMS 企業對1206 元件在FR4 板上,做0-100 ℃熱循環試驗,SnAgCu 和SnPb 失效的周數差不多,無鉛、錫鉛可靠性相當。用-55℃-125 ℃的嚴酷試驗條件下,無鉛的可靠性不如Sn/Pb。
案例2:大的片狀電阻2512 進行試驗,實驗條件-55℃-125 ℃,用于汽車發動機電路控制板,無鉛200 周就失效,有鉛到上千周沒發現失效。無鉛可靠性沒有錫鉛好。
案例3:某大型飛機制造公司對1206 、LCCC、BGA、CSP 進行實驗。結果是BGA、CSP 無鉛可以通過更多的熱循環周,而1206 、LCCC、有鉛可以通過更多的周。
案例4:IPC 報告,在熱循環溫度0-100 ℃條件下, FLIPCHIP 錫鉛焊料可靠性高,而CSP8、BGA 無鉛焊料可靠性高。
從焊點所受的載荷分析以上實驗結果。焊點在不同載荷條件下,無鉛與錫鉛焊料蠕變不同,SnAgCu 在高載荷情況下蠕變更快,在低載荷下蠕變慢;而有鉛焊點在低載荷情況下,蠕變更快,導致無鉛和有鉛焊點可靠性的不同。
焊點上產生的載荷受溫差、CTE 不匹配以及元件尺寸大小三個方面的影響。不同的高低溫試驗條件,如熱循環從0-100 ℃和-50-150 ℃,焊點上溫差不同;又因為PCB 的Tg、CTE 不同以及焊料合金成分的不同等,造成焊點上的載荷不一樣,焊點的蠕變和疲勞也不相同。在大多數應用情況下,產品都處于0-100℃的環境溫度情況。焊點上的載荷相對較低,無鉛比有鉛可靠;但是汽車電子、軍事產品,工作溫度常在-50-150℃情況,溫差更大,惡劣溫度條件使焊點承受的載荷很大,可靠性會反過來。
CTE 不匹配是造成焊點承受過大應力的關鍵。QFP 、CSP8、BGA 以及小器件由于CTE 與PCB 的CTE 差別不大,焊點上載荷應力很小,焊點的應力處于低應力狀態。SnAgCu 蠕變沒有錫鉛快,在熱循環試驗中,SnAgCu 可以承受更多的熱循環周。所以只是在低載荷、低應力、熱膨脹系數CET 相差不大的情況,無鉛焊料的可靠性比有鉛可靠性高。在有些情況下,如CTE 相差很多,溫度分為很廣(如-45℃-125℃),器件很大,焊點處于高應力狀態,SnAgCu 蠕變比錫鉛快,在熱循環試驗中,SnAgCu 焊點在很少的熱循環周后失效,無鉛焊料的可靠性沒有鉛錫焊料可靠性高。如裸露的硅直接安裝到PCB 上的FLIP CHIP 、片狀陶瓷電容、42 號合金等,這些元件的CET 與PCB 的CET 差別很大,加上熱循環的溫差大,SAC 的可靠性不如Sn/Pb。
總之:低載荷情況下,有鉛蠕變更快,無鉛蠕變更慢,無鉛可靠性高,大部分情況如此。高載荷情況下,無鉛蠕變更快,有鉛蠕變更慢,有鉛可靠性高。但有一個值得注意,跌落試驗時,有鉛和無鉛的結果是互相矛盾的。
三、電化學可靠性
電化學是研究電和化學反應相互關系的科學。電和化學反應相互作用可通過電池來完成。電池由兩個電極和電極之間的電解質構成。所以電化學形成的三個必要條件是:導體、電位差、電解液。在這三種條件存在下,電解液中的離子會在電位差的作用下發生遷移,從陽極向陰極移動并沉積,以枝晶方式生長。枝晶生長的結果導致兩電極短路。不同金屬導體受電化學影響程度會不一樣,有些很敏感如Cu,有些不敏感。
PCB 上的電路,由很多導線構成,這些導線之間均有電位差異,這些電壓差就形成陰極和陽極,另外我們加工的PCB 板上通常有焊劑殘留物、灰塵導電物質等,他們是有一定的活性的,當PCB 在潮濕的環境下,板上有水分子沉積時(如高濕條件下水分的沉積),焊劑殘留融化在水中,水和助焊劑殘留物就成了電解質,導線上的Cu 在電解液中變成帶正電的Cu 離子,它們向負電位(陰極)跑去,與陰極的電子形成Cu 原子沉積在陰極端,這樣以樹枝的形狀從陰極向陽極生長,最后導致短路,產生產品的失效。這就是電子產品中的電遷移現象(見圖13),它受到PCB 上的電位差、潮濕程度以及溶劑中離子的濃度三個方面的影響。

很多電路特別是高性能、高頻電路,并不等到兩根導線之間短路才發生故障,而是對兩者之間的表面絕緣電阻SIR 很敏感。很多電路在長枝晶之前就失效,原因就是由于電阻發生了變化。所以高性能、高頻電路,對SIR 的要求非常嚴格,通常100MΩ(10×108)以上。表面絕緣電阻的測量按照IPC-TM-650 2.6.3.3 標準進行。目前我們通常采用免清洗工藝,對電遷移現象需要引起足夠的重視。免清洗工藝大部分失效都是電遷移失效,是SIR 的問題,特別是焊劑殘留物的影響。
同一塊PCB 上如果存在使用焊膏、焊劑、焊絲的情況下,輔料相容性的問題是電化學可靠性必須考慮的問題。焊膏中的焊劑,手工焊接中焊絲的焊劑以及涂覆的助焊劑、波峰焊接的焊劑均要求相兼容。PCB 上的各種殘留物,其化學成分、活性是否相同,是否具有吸潮性,是否需要清洗等都需要考慮。松香型的、水溶性的、免清洗型的不能混用。如果混用,必須測量表面絕緣電阻。

對于無鉛焊接而言,由于焊劑的活性更高,殘留在PCB 上的危害更大。溫度也會使殘留物的化學成分發生變化,更應該引起關注。圖13。Cu 原子以枝晶方式生長造成產品失效

四、PCB 可靠性
無鉛焊接的高溫下,產生了很多的失效,焊后馬上發現的問題和焊接幾年之后才發現的問題都影響可靠性,如何選好PCB 材料成為關鍵,要考慮多種材料因素。
無鉛PCB 的可靠性,主要反映在PCB 的板材和表面處理兩大方面。PCB 板材要求主要在四個參數考慮:Tg、CTE、Td、T288 。PCB 的表面處理的可靠性主要在ENIG 的黑盤問題和Au 鍍層厚度問題。
  1.玻璃化轉變溫度Tg (Glass Transition Temperature)

聚合物在某一定溫度條件下,基材結構發生變化,在這個溫度之下,基材又硬又脆,稱玻璃態;在這個溫度之上,基材變軟,機械強度明顯變低,稱橡膠態或皮革態。這種決定材料性能的臨界溫度稱作玻璃化轉變溫度。聚合物一般是由有機材料合成,大多數層壓板(除陶瓷基板外),都含有聚合物,所以一般的覆銅箔層壓板都具有Tg 這一固有特性。
進入無鉛化時代,由于焊接溫度的提高,必然對板材耐熱性提出更高的要求。Tg 是選擇PCB 的重要參數,Tg 越高越好。IPC 最近發布的第二份“無鉛”FR-4 的標準草案提出,玻璃化溫度(Tg)建議在155 ℃以上。
  2.熱膨脹系數CTE(Coefficient of thermal Expansion)

熱膨脹系數是指環境溫度每升高1℃,單位長度的材料所伸長的長度。單位為ppm/℃;CTE 定量描述材料受熱后膨脹的程度。幾種與PCB 相關材料的CTE 如表2: 從表2 可以看出,CTE 不僅在XY 方向需要考慮,特別是考慮Z 方向的CTE 不匹配問題。PCB 的Z 方向有2 種材料,一是PCB 材料,由樹脂和玻璃纖維組成,但主要是樹脂;二是通孔上的銅。這兩種材料的CTE 不同,Cu 的CTE 為16,而樹脂、玻璃纖維組成PCB 的CTE,當焊接溫度在Tg 以下時和Cu 差不多,但溫度達到Tg 以上后,材料的CTE 就達到很高的程度,約80-90 甚至100 ,而我們的回流焊接溫度通常在Tg 以上,特別是無鉛焊接時,焊接溫度超過217 度以上,肯定大大超過了PCB 的Tg,這時,Z 方向會以非常快的速度膨脹,而Cu 跟不上它的膨脹速度,Cu 會出現小裂紋,存在失效隱患,也就是說回流焊接中,由于Z 軸方向的CTE 不匹配,會在通孔中產生小裂紋。見圖14。這些裂紋在產品生產完成后,做針床在線測沒有問題,功能測也沒有問題,但當產品投放市場之后或進行熱循環試驗時,裂紋會發生擴展,產生Cu 的疲勞失效,即過孔的斷裂,這時產品出廠可能幾年才會發現問題。這是一個滯后的失效。無鉛的溫度更高,情況更加劇,有些PCB 就不能承

受這些要求,有可能會產生小裂紋。   
表2。各種常見材料的CTE    
材料  熱膨脹系數/   ppm/ ℃
PCB(FR4)X、Y 方向   16-25( 16 )
多層PCB 的Z 方向   50-100  
銅箔  16.3  
焊料(63Sn/37Pb)    24-26( 23)
硅(底部填充料)   2.8(20)  
Al2O3 無引線元件  6.4  
環氧樹脂半固化片  13-15  


圖14.Z 軸方向CTE 不匹配造成過孔的裂紋圖15.樹脂與玻璃纖維分離
  3.PCB 的分解溫度Td

PCB 板里面有很多銅線,孔與孔之間有電位差,PCB 由樹脂和玻璃纖維組成,當樹脂和玻璃纖維之間發生分離時,縫隙中有水分存在,加上腐蝕性的物質,會形成電化學反應的條件,造成兩孔之間形成電化學反應,最終導致短路,這種失效不是發生在PCB 的表面,是在內部,更為可怕(見圖15)。也是滯后的失效。無鉛溫度更高,分離的情況更為嚴重,為這種反應提供了更多的機會。所以PCB 板還需考慮PCB 的分解參數Td。
Td 是樹脂的物理和化學分解實際溫度。當溫度超過Td,材料由于化學連接的斷裂而損壞,造成不可逆轉的降級。Td 定義為PCB 加熱到一定溫度,其重量變化(減少)5%的溫度。相同Tg 的PCB,由于樹脂、結構的不同,其Td 也會不同(見圖16)。相同FR-4 的材料,它們的Td 分別為320℃和350 ℃。由于無鉛焊接溫度通常在235℃-245℃,為了將Td具有實際的指導意義,所以目前工業界提出將Td 改為其重量變化(減少)2%的溫度。圖中的Td 溫度就為220℃和260℃。在選擇PCB 板材時可以具有參考意義。

圖16 兩種FR-4 材料具有相同的Tg=175℃,Td 差異。
  4. PCB 的耐熱溫度T288

PCB 上還有一個很重要的參數是T288,288 的意思主要是溫度在288 ℃時,PCB 在這個溫度下能夠堅持多久,時間是多少。具體操作是將PCB 加熱到288 ℃,用TMA 上的探針,探測多長時間PCB 會保持它的強度,不變形,考察PCB 樹脂的分解、玻璃纖維界面的強度等情況。IPC 最近發布的第二份“無鉛”FR-4 的標準草案提出,T-288 大于15 分鐘。
  5.黑盤問題

PCB 表面的金/鎳層在可靠性上有一個致命的問題,那就是黑盤問題。黑盤問題是電化學對ENIG 涂層攻擊的結果。Ni 是高自由能,比別的晶界更容易受到腐蝕,造成Ni 晶粒之間、晶界之間發生氧化,當氧化達到一定程度,氧化層發黑,形成黑盤(見圖17)。
黑盤嚴重影響了PCB可靠性。焊接過程中,金層中的金全部跑到焊點中去,焊料在Ni 表面潤濕,最后焊料和Ni 層形成結合層。當Ni 氧化后形成黑盤時,焊點只是在氧化的Ni 表面附著,Sn/Ni 之間沒有形成金屬間化合物。PCB 裝配后進行板極電性能測試時會通過。隨著電化學腐蝕的繼續,氧化程度的加深,一旦發生沖擊、振動或接觸、碰撞等后,焊點就會突然性的失效。

 
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