無鉛制造過程中的可靠性問題一直是近期熱門探討的話題，日前在深圳舉行的IPCWorks Aisa 2007研討會上，清華-偉創(chuàng)力SMT實驗室通過一個案例分析，分享其在無鉛生產過程中如何考慮各種因素對可靠性的影響，從而得到高性能的產品。 該實驗室主任王豫明女士認為應從五大方面來考慮：元器件、印制板、材料、回流爐及焊接曲線和工藝確認。元件主要考核Pb含量、靜電敏感程度、潮濕敏感等級等，并對元件進行了預處理。無鉛PCB通常只注重表面處理，卻忽略印制板板材。由于大量無鉛板材發(fā)生變化、印制工藝過程會發(fā)生變化，都影響SMT焊接工藝以及板級產品的可靠性。另外，回流爐是無鉛焊接中最關鍵的設備，必須全面了解爐子的情況，如橫截面溫差、爐長的溫度變化、加熱效率等，對于焊點的影響做到心中有數(shù)，從而容易設置焊接曲線，使每個焊點都焊接良好，又保證元件不遭受過熱。最后，對焊點進行截面剖切和電鍍分析，分析結合層的情況及晶粒的大小，確定工藝參數(shù)。 該案例的背景是清華-偉創(chuàng)力SMT實驗室承接的小型訂單，主要生產高附加值高復雜度的組裝印制板，板上擁有3,000多種元器件，0402型貼片元件的數(shù)量達100多個，關鍵元器件有BGA、QFP和QFN等。下面我們分別從這五方面探討無鉛制造的可靠性問題。 元器件 在無鉛制造過程中，首先考慮的可靠性因素是元器件。對于元器件，不光要了解其外表，還要首先了解它的端子/引腳的鍍層結構和材料。比如結合層的類型，如果是金鍍層則是鎳和錫形成的Ni3Sn4，如果里面的鍍層是銅引腳，外面的結合層就基本是Cu6Sn5。而BGA的結合層類型CCGA90Pb屬于高鉛產品，高鉛熔點為300度，焊接的時候高鉛是不熔的。 了解了結合層類型之后還要結合焊接工藝的把握，尤其是焊端材料的最低溫度，它決定了整體最低溫度要求。比如該表層是鎳鈀金的話，工藝上就要做相應的處理，由于鈀溶解到焊料里面需要一定的時間，因此時間需要稍微長一點。但如果是銀端頭，如片式元件，這時候銀端頭時間就不能太長，太長就會熔到焊料里面，端頭發(fā)生破損，導致浸錫現(xiàn)象。因此，可靠性因素第一要了解元器件的焊端結構，就了解了焊點的可靠性。 為什么要考慮這些呢？因為各種金屬的溶解速度是不一樣的，錫的速度最快，依次是金、銀、銅，鈀和鎳的溶解速度則很慢。通常，鎳和錫形成的Ni3Sn4結合層比Cu6Sn5的結合層從長期角度看較好一些，而36Pb/62Sn/2Ag相比40Pb/60Sn鉛錫合金，前者由于加入Ag銀元素緩解在焊料中的溶解速度，因此溶解速度要慢一些。另外需要說明的是，含Pb鉛的材料在焊接時，曲線的調制一定要長一些。 元器件可靠性考慮的第二個因素是元件的耐溫。元件的耐溫模式有幾種，有的是耐沖擊不耐高溫，有的是耐高溫但不耐沖擊。比如陶瓷片式電容、鉭、鋁電解電容就屬于耐高溫不耐沖擊，斜率太陡便會導致形成裂紋。因此元器件廠商最好給出元件的耐溫曲線，通常給出三個指標：元器件的耐沖擊性，即升溫斜率℃/S；元件能夠承受的最高溫度；元件能吸收的最大熱容量。需要注意的是，通常元器件廠商提供的溫度曲線只是給你元件的耐溫曲線，器件封裝的要求常嚴格于錫膏要求，所以耐溫曲線指元件能夠耐受的焊接溫度，而不是焊接溫區(qū)曲線。 元件的耐溫將決定焊接最高溫度，很多元件最高耐溫只有240℃的話，焊接時就一定要注意不能超過這一數(shù)值。大型制造商一般在制造過程中不會出現(xiàn)問題，但許多小作坊由于元器件品種多，訂單和客戶群很廣泛，就會發(fā)生許多問題，產生元器件失效的可靠性問題。另外，采購的過程也要十分謹慎，許多由有鉛轉為無鉛的產品，即使經過查驗符合IPC/JEDEC J-STD-020C標準，也可能不耐高溫，而導致元器件失效。 在生產過程中，元器件鉛含量的測量也是十分必要的。測量鉛含量的方法有幾種，第一種方法是將元件端頭/引腳的成分分離出來，測量Pb的含量，比如BGA和QFP都是這樣做。第二種方法是將元件研磨粉碎，測量Pb的含量，它是比較便宜的方式，電阻電容常用此方法。第三種方法就是儀器分析法。該案例的檢測結論是所有元件除電阻外，滿足要求。由于電阻用研磨的方法檢測，結果為1300PPM左右，主要原因是元件制造中需要Pb，但不是端頭超標。 元器件第四個需要考慮的是元件靜電問題。該案例檢查了所有的元件，有些生產元件是屬于靜電等級1級的，如ISL6232CAZA，有屬于2級的ISL6227CAZ，還有屬于TDB級(HBM)的ISL6506ACB，以及靜電等級要求防靜電的RB751V-40。靜電是導致元件失效的一種可靠性因素，它甚至在生產完成和調試后運送到客戶那里才發(fā)生靜電損傷，因此要注意處理。目前板上的芯片越來越密集，精度也越來越高，對靜電也因此越來越敏感，需要十分注意。 早期靜電敏感等級分為三等：1級為0~1999V；2級為2000~3999V；3級是4000~15000V。目前使用的等級劃分沿用的是美國和歐洲的標準，將敏感器件按照HBM、MM、CDM、SDM等不同的放電模型劃分為4~7個等級。比如HBM是指人體模式，對人體的靜電比較敏感的，MM是機器放電模式。因為HBM和MM會因為外部放電而影響到別的物體，需要特別注意一下。所有的元器件都應按照要求做靜電敏感元件處理，其中特別提及的元件要特別注意。 第五個元件考慮因素就是潮濕敏感，也是生產中要特別注意的，因為板級產品其實已經相當于整機產品。潮濕敏感元件是一定要進行除濕處理的，如果庫存時間較長，則應該相應延長烘烤時間，以免損失。 綜合來說，元器件重點考慮的就是濕敏和靜電、高溫三個因素，致于端頭則是為后面的焊接做準備的。 印制板 “對于印制板很多人通常是忽略的，因為印制板一般是先設計后訂購，然后裝配。但是在裝配的過程中往往會出現(xiàn)很多意想不到的問題。”王豫明說。 她介紹說，印制板需要注意五個問題：板材的要求、鍍層的要求、印制板廠加工工藝的變化、SMT工藝的處理和焊盤設計。 首先是板材的要求，無鉛板材必須滿足的幾個關鍵要素包括：Tg一定要150℃，Td(Min)是非常重要的指標，無鉛一般要達到320℃；無鉛中需要加填料，比如很細的二氧化硅20%，固化劑也發(fā)生變化，由Dicy變?yōu)镻N-cured；加入沙子的目的就是減低印制板在Z軸方向上的熱膨脹系數(shù)，α1為60，α2為300，Z軸對可靠性的影響在于可能會造成PCB分層和孔斷裂。因為Z軸是沒有玻璃纖維，只有樹脂，在加熱過程中迅速膨脹，每一度溫度升高很快就會把樹脂拉斷或產生隱性裂紋，今后造成孔斷裂。 第二是對印制板鍍層的要求。其可靠性問題主要考慮金脆問題和黑盤問題。所謂金脆是指鍍金層金的厚度太厚，造成板的金脆問題，因而金的厚度要求是0.1μm。黑盤問題則要求控制Ni鎳的厚度在5~7μm，由于這里有焊膏，因此只能是控制問題而解決不了根本的問題，黑盤問題要求控制好渡槽的溶液配方，以及控制渡槽溶液更換頻率，應對印制板廠提出一定的要求。 第三是印制板廠加工工藝的變化。對印制板廠來說，還是應該對其進行考察。由于更換到無鉛制造，新的生產設備必須具備轉速為20萬(RPM)，如果原有設備是12萬(RPM)轉的話，那么生產效率必須降低一半，打孔速度慢一些，因為太快將造成可靠性問題。另外，印制板廠的壓合工藝也發(fā)生了變化，印制板廠必須進行板子的烘烤(145℃2~4小時)?，F(xiàn)在的板材還需要進行黑氧化的加強，印制板一定要提高銅箔與PCB的附著力，加強層壓之間的結合力。當然鍍通孔工藝也發(fā)生了變化，IST是否替代TCT工藝，同時需要切片樣件，反應鍍通孔的厚度20微米以上。需要測試來驗證、保證通孔是否好。 此時，SMT加工工藝也要相應做出變化處理，需要注意的事項有：焊接曲線調制的時候要考慮板材是否會分層，峰值溫度最好不超過250度，TAL液態(tài)溫度以上時間60秒以下，曲線最好是有鞍型＋峰值為平頂式，最好不用三角形。另外一個需要注意的是焊前烘烤。焊前烘烤100~120℃1~3小時或2~6小時；根據(jù)板的吸潮情況以及環(huán)境、儲存條件而定。烘烤的目的是消除層壓應力，排除印制板吸取的潮氣。 印制板需要注意的第五個問題是焊盤設計，王豫明建議說：“焊盤的設計很關鍵，最好還是要看一看，考察各種元件的焊盤尺寸，便于模板設計?！痹摪咐袔讉€關鍵的元件包括Chip元件、QFN和BGA三種。對于尺寸越來越小的chip元件，將來如果返工返修可靠性將有所下降。QFN主要看其熱焊盤，最好是最大面積的接觸，否則會造成散熱不夠。例如一些手機板由于QFN的焊盤設計不合理，造成通話過程手機發(fā)熱非常明顯。BGA一定要焊好，焊頭、焊膏還有焊盤設計都是要考慮的。 材料 材料部分是很重要的，但它又是非常難做的。其中需要制造商進行焊膏認證、焊劑評估以及焊膏、焊劑、焊絲的選擇?？煽啃钥紤]的因素包括：焊料與元件、印制板材料的兼容性；電化學遷移；腐蝕；表面絕緣電阻下降；焊劑材料的兼容性。 焊膏認證主要包括合金成分的選擇、認證的焊膏品種選擇和焊膏認證。焊膏認證里面包括對焊粉形狀及顆粒直徑、焊膏粘度和黏著度的認證及測試，對工藝的要求包括可印刷性、塌陷、潤濕性和焊球。 該案例進行了焊料合金的選擇。案例中選擇了一家專門做軟板的外資企業(yè)，其中元件是電鍍金的，PCB軟板也是電鍍金的，焊料采用Sn4Ag0.5Cu。雖然曲線沒有問題，但結果總是焊不好。進行切片分析得出的結論是，焊膏材料選擇并不合適，不應選含銀焊料。因為PCB鍍金層太厚，焊點中金成分太多，造成焊點金脆；軟板的金層太厚，需要擴散時間加長，曲線中普通的50~60s不夠，造成焊接不良。所以印制板的情況變化很多，焊料的選擇還是很重要的。 第二個焊膏認證中還要進行顆粒的測試、粘度、黏著力測試。這里面要求Ti觸變系數(shù)要好，Ti表征焊膏的觸變性能，透過焊膏粘度來計算，優(yōu)良的焊膏觸變系數(shù)較高。Ti在0.5~0.6之間，剪切力恢復系數(shù)R%越小越好。這主要是對焊膏本身性能的評估。第二個評估是粉刷性，有的焊盤上面錫膏很多有的則很少，焊球也是潤濕性不同，潤濕性越大越好焊。 除了焊膏的評估，還有焊劑的評估，評估的方式包括銅鏡試驗，鉻酸銀試驗和表面絕緣電阻法，這三個都是按照IPC的標準來進行。銅鏡試驗主要用于檢測助焊劑對銅鏡的腐蝕情況，根據(jù)IPC-TM-650 2.3.32標準進行，要求助焊劑不應使銅膜有穿透性腐蝕。鉻酸銀試驗目的是測試助焊劑中鹵化物的存在，根據(jù)IPC-TM-650 2.3.33標準進行，如果試紙出現(xiàn)白色或黃色變化就表明了氯化物或者溴化物的存在。 該案例中僅做了表面絕緣電阻的試驗。表面絕緣電阻測試的目的是通過對有助焊劑的PCB表面絕緣電阻的降級，測定助焊劑的特性。根據(jù)IPC-TM-650 2.6.3.3標準進行，將焊劑和焊膏放置于PCB上進行波峰焊接或回流焊接。樣件在高溫高濕實驗環(huán)境85℃±2℃，濕度20%中放置3小時，再在82±2%放置至少1小時。樣件保持在倉內不懂，給2組加上45V直流偏壓，分別在加壓24h(1天)、96h(4天)、168h(7天)后，將45V偏壓撤掉，加上100V直流測試電壓(與偏壓極性相反)，測量1~2、2~3、3~4、4~5間的絕緣電阻，并記錄。要求表面絕緣電阻大于1×108Ω。枝狀的生長＜25%間距。 焊劑的評估需要注意的是焊劑材料的兼容性，焊劑、焊膏的助焊劑一定要相容，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。如都是松香型的或都是水溶性的，或都是免清洗型的，不能混用。如果混用，必須測量表面絕緣電阻。 回流爐及溫度曲線 回流爐是無鉛焊接中最關鍵的設備，必須全面了解爐子的情況，如橫截面溫差、爐長的溫度變化、加熱效率等。從而容易設置焊接曲線，使每個焊點都焊接良好，又保證元件不遭受過熱。 首先，需要特別提醒的是，需要了解你的測量系統(tǒng)是否精準，測出來的曲線是否準確，測量系統(tǒng)的誤差情況?！皽y溫系統(tǒng)一定要降低誤差，這里面有各種測溫誤差，有的公司為了省錢在一家公司買了測溫儀在另外一家買了爐子，這樣造成的誤差非常大。從有鉛向無鉛轉換，必須盡量保證測量系統(tǒng)精度誤差小?！蓖踉ッ髡f。其中，誤差源包括熱耦連接材料、熱耦連接方法、熱耦精度、測溫儀精度等，分別將產生2℃、4℃、2.5℃和2℃的誤差。 其次，您需要全面了解爐子的性能。大型制造廠使用的爐子可能較好但小型工廠卻并不一定好，需要全面了解你的設備。第三是溫度曲線的設置。加熱因子是液態(tài)溫度以上時間TAL和峰值溫度所組成的面積。對回流曲線TAL以上面積進行積分，反應的是焊點吸收的熱容量的大小。加熱因子最好在1,500以上。 工藝確認 焊完之后需要對焊板進行工藝確認，首先是進行X-Ray檢查，發(fā)現(xiàn)空洞問題可通過模板、焊膏和溫度曲線調節(jié)的措施來解決。其次是微觀結構的分析，進行切片，可包括金相圖的分析、電鏡分析和能譜分析。從金相圖片看各焊點的潤濕情況，是否滿足610D的標準要求。電鏡分析看結合層形狀、厚度、成分，以及晶粒組織、大小和分布。能譜分析可以進行點的測量和線掃描，線掃描看結合層形成是否良好，材料分布狀況。