焊接工藝是保證焊接質(zhì)量的重要措施,它能確認(rèn)為各種焊接接頭編制的焊接工藝指導(dǎo)書的正確性和合理性。通過焊接工藝評(píng)定,檢驗(yàn)按擬訂的焊接工藝指導(dǎo)書焊制的焊接接頭的使用性能是否符合設(shè)計(jì)要求,并為正式制定焊接工藝指導(dǎo)書或焊接工藝卡提供可靠的依據(jù)。
焊點(diǎn)合格的標(biāo)準(zhǔn):焊點(diǎn)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度;焊點(diǎn)可靠,保證導(dǎo)電性能;焊點(diǎn)表面整齊、美觀;焊點(diǎn)接觸電阻要??;焊點(diǎn)不應(yīng)有毛刺和空隙;焊點(diǎn)間不應(yīng)有搭焊、碰焊、橋連、濺錫等容易發(fā)生短路的現(xiàn)象。
1、對(duì)無鉛焊料的性能要求
傳統(tǒng)錫鉛焊料因具有價(jià)廉、易焊接、成形美觀以及物理、力學(xué)和冶金性能好等特點(diǎn)而作為連接元器件和印刷電路板的標(biāo)準(zhǔn)材料,并形成了一整套的使用工藝,長(zhǎng)期以來深受電子廠商的青睞。但由于鉛及鉛化合物對(duì)人類健康和生活環(huán)境的不利影響,限制和禁止使用含鉛焊料的呼聲日益高漲,各國(guó)政府紛紛制定相應(yīng)的法規(guī)約束電子產(chǎn)品的使用材料和廢棄物的處理,電子封裝的環(huán)境友好化要求已成為全球趨勢(shì)。因此目前電子行業(yè)全面面臨無鉛化的要求,已經(jīng)對(duì)整個(gè)行業(yè)形成巨大沖擊。近幾年無鉛焊料迅速發(fā)展起來,最常用的是Sn-Ag-Cu系列。
微電子領(lǐng)域使用的焊料有著很嚴(yán)格的性能要求,無鉛焊料也不例外,不僅包括電學(xué)和力學(xué)性能,還必須具有理想的熔融溫度。從制造工藝和可靠性兩方面考慮,列出了焊料合金的一些重要性能。
2、影響無鉛焊點(diǎn)可靠性的因素
與傳統(tǒng)的含鉛工藝相比,無鉛化焊接由于焊料的差異和工藝參數(shù)的調(diào)整,必不可少地會(huì)給焊點(diǎn)可靠性帶來一定的影響。首先是目前無鉛焊料的熔點(diǎn)較高,一般都在217℃左右,而傳統(tǒng)的Sn-Pb共晶焊料熔點(diǎn)是183℃,溫度曲線的提升隨之會(huì)帶來焊料易氧化及金屬間化合物生長(zhǎng)迅速等問題。其次是由于焊料不含Pb,焊料的潤(rùn)濕性能較差,容易導(dǎo)致產(chǎn)品焊點(diǎn)的自校準(zhǔn)能力、拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等不能滿足要求。以某廠商為例,原含鉛工藝焊點(diǎn)不合格率一般平均在50×10-6(0.05%)左右,而無鉛工藝由于焊料潤(rùn)濕性差,不合格率上升至200×10-6~500×10-6(0.2~0.5%)。
鑒于無鉛化焊點(diǎn)可靠性方面目前仍存在許多問題,有必要對(duì)此進(jìn)行分析。無鉛焊點(diǎn)的可靠性問題主要來源于:焊點(diǎn)的剪切疲勞與蠕變裂紋、電遷移、焊料與基體界面金屬間化合物形成裂紋、Sn晶須生長(zhǎng)引起短路,電腐蝕和化學(xué)腐蝕問題r¨等。以下我們主要從設(shè)計(jì)、材料與工藝角度介紹影響無鉛焊點(diǎn)可靠性的一些因素。
(1)設(shè)計(jì):PCB的合理設(shè)計(jì)問題。如焊盤設(shè)計(jì)不合理、發(fā)熱量大的元件密集分布、相鄰高大元件在回流焊時(shí)產(chǎn)生“高樓效應(yīng)”、形成熱風(fēng)沖擊等。
(2)材料:焊料的選擇極為重要。目前,大多采用錫銀銅合金系列,液相溫度是217℃-221℃,這就要求再流焊具有較高的峰值溫度,如前所述會(huì)帶來焊料及導(dǎo)體材料(如Cu箔)易高溫氧化、金屬間化合物生長(zhǎng)迅速等問題。因?yàn)樵诤附舆^程中,熔融的釬料與焊接襯底接觸時(shí),由于高溫在界面會(huì)形成一層金屬間化合物(IMc)。其形成不但受回流焊溫度、時(shí)間的控制,而且在后期使用過程中其厚度會(huì)隨時(shí)間增加。
研究表明界面上的金屬間化合物是影響焊點(diǎn)可靠性的一個(gè)關(guān)鍵因素。過厚的金屬間化合物層的存在會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂、韌性和抗低周疲勞能力下降,從而導(dǎo)致焊點(diǎn)的可靠性降低。以當(dāng)前最為成熟的Sn-Ag系無鉛焊料為例,由于熔點(diǎn)更高,相應(yīng)的再流焊溫度也將提高,加之無鉛焊料中Sn含量都比Sn-Pb焊料高,這兩者都增大了焊點(diǎn)和基體間界面上形成金屬問化合物的速率,導(dǎo)致焊點(diǎn)提前失效。
另外,由于無鉛焊料和傳統(tǒng)Sn-Pb焊料成分不同,因而它們和焊盤材料,如Cu、Ni、AgPd等的反應(yīng)速率及反應(yīng)產(chǎn)物可能不同,焊點(diǎn)也會(huì)表現(xiàn)出不同的可靠性。同時(shí)焊料和助焊劑的兼容性也會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的可靠性產(chǎn)生非常大的影響。有研究表明:焊料和助焊劑各成分之間不兼容會(huì)導(dǎo)致附著力減小。此外,由于熱膨脹系數(shù)不匹配,又會(huì)加快焊料周期性的疲勞失效。因此要特別注意選擇兼容性優(yōu)良的焊料和助焊劑,才能耐受住無鉛再流焊時(shí)的高溫沖擊。
另外,各互連焊接部件均來自于不同生產(chǎn)廠商,因而部件質(zhì)量難免參差不齊,如器件引腳可焊性不良等,對(duì)無鉛工藝焊點(diǎn)可靠性有較大影響。比較典型的例子是.PCB板焊盤質(zhì)量問題。由于以前的熱風(fēng)整平(HASL)焊盤涂層工藝存在一些缺點(diǎn),因此目前OEM廠商應(yīng)用較廣泛的包括有機(jī)可焊性保護(hù)層(OSP)和Ni/Au涂層工藝。
其中Ni/Au涂層又有浸金法和鍍金法兩種,浸金法由于工藝簡(jiǎn)單而較受國(guó)內(nèi)廠商青睞,但此法難于控制Au層厚度,常會(huì)出現(xiàn)Au層厚度不足導(dǎo)致其下的Ni層氧化,影響回流焊接時(shí)焊點(diǎn)的性能。對(duì)于此種情況,廠商一般可用俄歇電子能譜儀(AES)精確測(cè)量PCB焊盤的Au層厚度是否符合規(guī)格。
(3)工藝:在SMT、MCM制作工藝過程中,通常會(huì)遇到諸如焊料儲(chǔ)存溫度不當(dāng)、焊盤焊料不足、再流焊溫度曲線設(shè)置不當(dāng)?shù)葐栴}。就無鉛焊接而言,再流焊工藝溫度曲線的優(yōu)化至為重要,優(yōu)良的工藝既可保證形成高可靠性的焊接,又保持盡可能低的峰值溫度。
因此,目前除日本以外,其他國(guó)家的消費(fèi)電子公司似乎都接受了錫銀銅合金系列,合金中銀所占比例為3.0%~4.7%,銅為0.5%-3.0%。不同成分的合金熔點(diǎn)相差不大,基本上在217℃-221℃之間,而錫鉛合金(63%的錫和37%的鉛)的液相溫度是183℃,兩者相差34℃。
因此嚴(yán)密監(jiān)控再流工藝中的關(guān)鍵變量,如峰值溫度、高于液相溫度的時(shí)間、浸漬時(shí)間、浸漬溫度以及由于選擇焊劑和焊膏而引起的斜坡速率,以確保再流焊過程保持1.33或高于1.33的Cpk。另外需注意的一點(diǎn)是含Bi無鉛焊料的使用問題。研究發(fā)現(xiàn),含Bi焊料與Sn-Pb涂層的器件接觸時(shí),回流焊后會(huì)生成Sn-Pb-Bi共晶合金,熔點(diǎn)只有99.6℃,極易導(dǎo)致焊接部位開裂的發(fā)生。因此對(duì)含Bi無鉛焊料的使用需注意器件涂層是否為Sn-Pb涂層。
另外,關(guān)于無鉛焊接工藝中出現(xiàn)的空洞問題??斩词腔ミB焊點(diǎn)在回流焊接中常見的一種缺陷,在BGA/CSP等器件上表現(xiàn)得尤為突出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及測(cè)量方面的差異性較大,至今對(duì)空洞水平的安全性評(píng)估仍未統(tǒng)一。有經(jīng)驗(yàn)的工程師習(xí)慣將無較大空洞(小尺寸的空洞體積之和不超過焊點(diǎn)體積的0.5%)、空洞比例低于15%~20%,且不集中于連接處的空洞歸于回流焊接中常見的一種缺陷,并認(rèn)為是可以接受的;
另一方面,按照Motorola的研究結(jié)果認(rèn)為直徑3μm~5μm的空洞事實(shí)上能提高焊點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性,因?yàn)樗谝欢ǔ潭壬峡梢宰柚购更c(diǎn)中裂紋的擴(kuò)展。但一般認(rèn)為大的空洞,或空洞面積達(dá)到一定比例后會(huì)給可靠性帶來不利影響。
因此,在無鉛焊接中,空洞仍然是一個(gè)必須關(guān)注的問題。在熔融狀態(tài)下,Sn/Ag/Cu合金比Sn-Pb合金的表面張力更大,表面張力的增加勢(shì)必會(huì)使氣體在冷卻階段的外溢更加閑難,使得空洞比例增加。這一點(diǎn)在無鉛錫膏的研發(fā)過程中得到證實(shí),結(jié)果顯示使用無鉛錫膏的焊點(diǎn)中的空洞數(shù)量多于使用錫鉛錫膏的焊點(diǎn)。
大的空洞和一些小的球形空洞是由于助焊劑的揮發(fā)造成的,錫膏中助焊劑的配比是影響焊點(diǎn)空洞的最直接因素,因此無鉛錫膏仍有很大的改善空間。作為新一代的無鉛錫膏產(chǎn)品,MulTIcore(96SCLF32OAGS88)由于增加了助焊劑在高溫的活性,實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的長(zhǎng)足飛躍,使得無鉛焊點(diǎn)的空洞水平可降低到7.5%左右。近兩年隨著材料研究方面的進(jìn)展,研制的第二代通用型無鉛焊膏除了具有更寬的工藝窗口、更容易應(yīng)用、有更好的外觀外,最為重要的是解決了空洞問題。
相信通過閱讀上面的內(nèi)容,大家對(duì)無鉛焊點(diǎn)可靠性有了更深入的了解。深圳創(chuàng)芯在線檢測(cè)技術(shù)有限公司是國(guó)內(nèi)知名的電子元器件專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu),建有標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室3個(gè),實(shí)驗(yàn)室面積1000平米以上。檢測(cè)服務(wù)范圍涵蓋:電子元器件測(cè)試驗(yàn)證、IC真假鑒別,產(chǎn)品設(shè)計(jì)選料、失效分析,功能檢測(cè)、工廠來料檢驗(yàn)、元器件X-Ray檢測(cè)以及編帶等多種測(cè)試項(xiàng)目。