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(shí)驗(yàn)室通過一個案例分析，分享其在無鉛生產(chǎn)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(chǎn)品。 該實(shí)驗(yàn)室主任王豫明女士認(rèn)為應(yīng)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(rèn)。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(jìn)行了預(yù)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(chǎn)品的可靠性。另外，回流爐是無鉛焊接中最關(guān)鍵的設(shè)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(diǎn)的影響做到心中有數(shù)，從而容易設(shè)置焊接曲線，使每個焊點(diǎn)都焊接良好，又保證元件不遭受過熱。最后，對焊點(diǎn)進(jìn)行截面剖切和電鍍分析，分析結(jié)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(shí)驗(yàn)室承接的小型訂單，主要生產(chǎn)高附加值高復(fù)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(dá)100多個，關(guān)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(jié)構(gòu)和材料。比如結(jié)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(jié)合層就基本是Cu6Sn5。而BGA的結(jié)合層類型CCGA90Pb屬于高鉛產(chǎn)品，高鉛熔點(diǎn)為300度，焊接的時(shí)候高鉛是不熔的。 了解了結(jié)合層類型之后還要結(jié)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(yīng)的處理，由于鈀溶解到焊料里面需要一定的時(shí)間，因此時(shí)間需要稍微長一點(diǎn)。但如果是銀端頭，如片式元件，這時(shí)候銀端頭時(shí)間就不能太長，太長就會熔到焊料里面，端頭發(fā)生破損，導(dǎo)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(jié)構(gòu)，就了解了焊點(diǎn)的可靠性。 為什么要考慮這些呢？因?yàn)楦鞣N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(jié)合層比Cu6Sn5的結(jié)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(shí)，曲線的調(diào)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(dǎo)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(biāo)：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(yán)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(shí)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(chǎn)生元器件失效的可靠性問題。另外，采購的過程也要十分謹(jǐn)慎，許多由有鉛轉(zhuǎn)為無鉛的產(chǎn)品，即使經(jīng)過查驗(yàn)符合IPC/JEDEC J-STD-020C標(biāo)準(zhǔn)，也可能不耐高溫，而導(dǎo)致元器件失效。 在生產(chǎn)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(jié)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(jié)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(biāo)。 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(chǎn)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(dǎo)致元件失效的一種可靠性因素，它甚至在生產(chǎn)完成和調(diào)試后運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)，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(jī)器放電模式。因?yàn)镠BM和MM會因?yàn)橥獠糠烹姸绊懙絼e的物體，需要特別注意一下。所有的元器件都應(yīng)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(chǎn)中要特別注意的，因?yàn)榘寮壆a(chǎn)品其實(shí)已經(jīng)相當(dāng)于整機(jī)產(chǎn)品。潮濕敏感元件是一定要進(jìn)行除濕處理的，如果庫存時(shí)間較長，則應(yīng)該相應(yīng)延長烘烤時(shí)間，以免損失。 綜合來說，元器件重點(diǎn)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(zhǔn)備的。 印制板 “對于印制板很多人通常是忽略的，因?yàn)橛≈瓢逡话闶窍仍O(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。 首先是板材的要求，無鉛板材必須滿足的幾個關(guān)鍵要素包括：Tg一定要150℃，Td(Min)是非常重要的指標(biāo)，無鉛一般要達(dá)到320℃；無鉛中需要加填料，比如很細(xì)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?yàn)閆軸是沒有玻璃纖維，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(chǎn)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(yīng)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(yīng)該對其進(jìn)行考察。由于更換到無鉛制造，新的生產(chǎn)設(shè)備必須具備轉(zhuǎn)速為20萬(RPM)，如果原有設(shè)備是12萬(RPM)轉(zhuǎn)的話，那么生產(chǎn)效率必須降低一半，打孔速度慢一些，因?yàn)樘鞂⒃斐煽煽啃詥栴}。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(jìn)行板子的烘烤(145℃2~4小時(shí))。現(xiàn)在的板材還需要進(jìn)行黑氧化的加強(qiáng)，印制板一定要提高銅箔與PCB的附著力，加強(qiáng)層壓之間的結(jié)合力。當(dāng)然鍍通孔工藝也發(fā)生了變化，IST是否替代TCT工藝，同時(shí)需要切片樣件，反應(yīng)鍍通孔的厚度20微米以上。需要測試來驗(yàn)證、保證通孔是否好。 此時(shí)，SMT加工工藝也要相應(yīng)做出變化處理，需要注意的事項(xiàng)有：焊接曲線調(diào)制的時(shí)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(shí)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(shí)或2~6小時(shí)；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(yīng)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(shè)計(jì)，王豫明建議說：“焊盤的設(shè)計(jì)很關(guān)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(shè)計(jì)?！痹摪咐袔讉€關(guān)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(jī)板由于QFN的焊盤設(shè)計(jì)不合理，造成通話過程手機(jī)發(fā)熱非常明顯。BGA一定要焊好，焊頭、焊膏還有焊盤設(shè)計(jì)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(jìn)行焊膏認(rèn)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(xué)遷移；腐蝕；表面絕緣電阻下降；焊劑材料的兼容性。 焊膏認(rèn)證主要包括合金成分的選擇、認(rèn)證的焊膏品種選擇和焊膏認(rèn)證。焊膏認(rèn)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(rèn)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(jìn)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(jié)果總是焊不好。進(jìn)行切片分析得出的結(jié)論是，焊膏材料選擇并不合適，不應(yīng)選含銀焊料。因?yàn)镻CB鍍金層太厚，焊點(diǎn)中金成分太多，造成焊點(diǎn)金脆；軟板的金層太厚，需要擴(kuò)散時(shí)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(rèn)證中還要進(jìn)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(jì)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(fù)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(yàn)，鉻酸銀試驗(yàn)和表面絕緣電阻法，這三個都是按照IPC的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。銅鏡試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，要求助焊劑不應(yīng)使銅膜有穿透性腐蝕。鉻酸銀試驗(yàn)?zāi)康氖菧y試助焊劑中鹵化物的存在，根據(jù)IPC-TM-650 2.3.33標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(yàn)。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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，將焊劑和焊膏放置于PCB上進(jìn)行波峰焊接或回流焊接。樣件在高溫高濕實(shí)驗(yàn)環(huán)境85℃±2℃，濕度20%中放置3小時(shí)，再在82±2%放置至少1小時(shí)。樣件保持在倉內(nèi)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(guān)鍵的設(shè)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(shè)置焊接曲線，使每個焊點(diǎn)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(zhǔn)，測出來的曲線是否準(zhǔn)確，測量系統(tǒng)的誤差情況。“測溫系統(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(zhuǎn)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(chǎn)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(shè)備。第三是溫度曲線的設(shè)置。加熱因子是液態(tài)溫度以上時(shí)間TAL和峰值溫度所組成的面積。對回流曲線TAL以上面積進(jìn)行積分，反應(yīng)的是焊點(diǎn)吸收的熱容量的大小。加熱因子最好在1,500以上。 工藝確認(rèn) 焊完之后需要對焊板進(jìn)行工藝確認(rèn)，首先是進(jìn)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(diào)節(jié)的措施來解決。其次是微觀結(jié)構(gòu)的分析，進(jìn)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(diǎn)的潤濕情況，是否滿足610D的標(biāo)準(zhǔn)要求。電鏡分析看結(jié)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(jìn)行點(diǎn)的測量和線掃描，線掃描看結(jié)合層形成是否良好，材料分布狀況。