無鉛焊接互聯可靠性由這7個因素來決定
日期：2021-09-15 18:24:24 瀏覽量：1667 標簽: 無鉛測試
在電子制造行業中，ROHS、無鉛這些字眼是見過最多的，很多芯片都采用了無鉛材料，比如引腳，錫球，慢慢從以前的有鉛轉無鉛，可靠性問題成為許多人關注的焦點問題。與其它無鉛相關問題(如合金選擇、工藝窗口等)不同，在可靠性方面，我們經常會聽到分歧很大的觀點。剛開始的時候，聽到許多人講無鉛要比錫鉛更可靠，又有一部分人說錫鉛要比無鉛更可靠。這時我們又該如何判斷呢？其實，這要視具體情況來看待。
無鉛焊接互連可靠性是一個非常復雜的問題，它取決于許多因素，我們簡單列舉以下七個方面的因素：
1.取決于焊接合金
對于回流焊，“主流的”無鉛焊接合金是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，這可能會給PCB和元器件的可靠性帶來負面影響，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，可能會由于無鉛焊接溫度較高，而導致分層、層壓破裂、Cu裂縫、CAF (傳導陽極絲須)失效等故障率上升。它還取決于PCB表面涂層。例如，經過觀察發現，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，無鉛焊接會發生更多的PCB破裂。
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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其它因素。其次，錫絲是使用壽命長的高端產品中精細間距的元器件更加關注的另一個可靠性問題。此外，SAC合金的高模量也會給元器件帶來更大的壓力，給低k介電系數的元器件帶來問題，這些元器件通常會更加易失效。
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，應力過大會導致焊接互連(和/或PCB)易斷裂。
6.取決于熱機械負荷條件
在熱循環條件下，蠕變/疲勞交互作用會通過損傷積聚效應而導致焊點失效(即組織粗化/弱化，裂紋出現和擴大)，蠕變應力速率是一個重要因素。蠕變應力速率隨著焊點上的熱機械載荷幅度變化，從而SAC焊點在“相對溫和”的條件下能夠比Sn-Pb焊點承受更多的熱循環，但在“比較嚴重”的條件下比Sn-Pb焊點承受更少的熱循環。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，在通過熱循環測試的同一塊電路板上，帶有Cu引線框的元器件在SAC焊點中經受的熱循環數量要高于Sn-Pb焊點，而采用42合金引線框的元器件(其PCB的CTE不匹配程度更高)在SAC合金焊點中比Sn-Pb焊點將提前發生故障。也是在同一塊電路板上，0402陶瓷片狀器件的焊點在SAC中通過的熱循環數量要超過Sn-Pb，而2512元器件則相反。再舉一個例子，許多報告稱，在0℃和100℃之間熱循環時，FR4上1206陶瓷電阻器的焊點在無鉛焊接中發生故障的時間要晚于Sn-Pb，而在溫度極限是-40℃和150℃時，這一趨勢則恰好相反。
7.取決于“加速系數”
這也是一個有趣的、關系非常密切的因素，但這會使整個討論變得復雜得多，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最新出版的圖書《無鉛焊接互連可靠性》。
關于無鉛器件可以執行的質量鑒定測試，由于無鉛加工需要更高的回流焊溫度，LSI 采用能夠經受無鉛加工條件的優質材料以及低K及Pad on I/O工藝對無鉛解決方案進行質量鑒定。質量鑒定測試包括但不限于：抗濕度測試(MRT)、溫度循環測試(TC)、溫濕度及偏壓測試(THB)以及高溫儲存測試(HTS)。除了組件級測試外，LSI還收集二級數據，以確保組件貼裝至 PCB 上時質量完好。錫須按照JEDEC JA210 標準進行質量鑒定，其中包括 -55oCto +85oC 范圍內的溫度循環測試、室溫儲存測試以及 55-60o/85溫度范圍與90%相對濕度的存儲測試。
