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無鉛電子產(chǎn)品可靠性
無鉛電子產(chǎn)品可靠性
電子產(chǎn)品的可靠性是指整個連接系統(tǒng)的，而不單指焊點，它還包括PCB、元器件。無鉛焊接與Sn/Pb 焊接相比，只有短短的十幾年，而研究Sn/Pb 的可靠性已經(jīng)40－50 年了，很清楚地知道有哪些問題。無鉛我們還不知到有哪些問題。有些問題有答案，有些還沒有答案，只是剛剛提出，對于無鉛可靠性的問題是工業(yè)界面臨zui緊迫的問題。本文提出一些工業(yè)界面臨的電子板級產(chǎn)品可靠性問題，供大家參考、討論。
一、電子產(chǎn)品可靠性概念
1．可靠性定義可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成規(guī)定任務(wù)的概率和可能性。電子產(chǎn)品和系統(tǒng)是在一定的應(yīng)用條件下、一定使用時間內(nèi)發(fā)揮作用。各種產(chǎn)品的應(yīng)用條
件各不相同，如空調(diào)主要是溫濕度的影響，而沖擊的變化不大；汽車電子，不僅溫濕度變化很大，而且震動很大，機(jī)械沖擊也很大。各種電子產(chǎn)品的使用壽命要求也不一樣，如手機(jī)，壽命1－3 年；而汽車電子、通訊設(shè)備的壽命要求很高。所以在特定條件下，在特定時間范圍內(nèi)，我們希望產(chǎn)品的失效不能超過某一個程度，完成產(chǎn)品所能完成任務(wù)的概率或可能性就是產(chǎn)品的可靠性?？煽啃允呛拖鄳?yīng)的載荷、使用環(huán)境、應(yīng)用周期有關(guān)。
電子產(chǎn)品是由各部件互連組成，其中zui重要的是PCB 組裝連接，連接的失效也是一個概率問題，它設(shè)涉及到焊點、PCB、元件失效的概率。除此之外，PCB 的裝配還涉及到電化學(xué)失效概率。PCB 組裝連接可靠性對產(chǎn)品的可靠性起著至關(guān)重要的作用，稱為板級產(chǎn)品的可靠性。它涉及的問題主要是焊點、PCB、元件以及電化學(xué)可靠性。
2． 載荷條件可靠性是相對于一定載荷條件的概率。所以可靠性一定是指在某種載荷條件的可靠性。載荷條件是指任何條件加入系統(tǒng)上，使系統(tǒng)的性能惡化或影響可靠性的條件，都是載荷
條件。載荷是一個廣義的載荷，不光只是熱沖擊、熱循環(huán)。系統(tǒng)在很多情況下所受到的是機(jī)械載荷，但又并不*是機(jī)械載荷，它還包括溫度、濕度、電壓、電流等條件，在這些條件下，也會造成產(chǎn)品的失效，也是一種載荷。所以載荷要廣義的理解。
機(jī)械載荷是電子產(chǎn)品常受到的載荷，它又分為周期性載荷和沖擊性機(jī)械載荷；周期性載荷也有低周期載荷和高周期載荷之分。 低周期載荷
計算機(jī)開機(jī)、關(guān)機(jī)冷熱周期性變化、汽車電子周圍環(huán)境的變化都屬于周期性載荷，也稱熱機(jī)械載荷。高低溫?zé)嵫h(huán)試驗就是模仿實際應(yīng)用中的熱機(jī)械載荷，來分析焊點的失效原因。焊點產(chǎn)生失效的主要原因是PCB 與安裝元件兩者的熱膨脹系數(shù)不匹配造成。例如PCB 焊盤上安裝陶瓷片狀電阻，兩種材料的熱膨脹系數(shù)分別為：陶瓷3－5ppm /℃，PCB 16－25ppm / ℃。陶瓷和PCB 材料比較硬，而焊料較軟。當(dāng)溫度從0 度上升到100 度，PCB 以16－25 的速率膨脹，而陶瓷膨脹速率很慢，使焊點處入受拉狀態(tài)；當(dāng)溫度從100 度下降到0 度時，相反程度發(fā)展，焊點受到周期性的剪切應(yīng)力應(yīng)變，當(dāng)循環(huán)達(dá)到1000－6000 次時，焊點出現(xiàn)力學(xué)的疲勞裂紋。由于在循環(huán)次數(shù)不高的情況下發(fā)生疲勞失效，稱作低周疲勞。
出現(xiàn)低周疲勞另一個原因是，當(dāng)焊點的工作溫度（以K 式溫度計算）占熔點的80％－90％時，材料內(nèi)部的變化處于熱敏期間，溫度升高以后晶粒長大，應(yīng)力應(yīng)變也會促使晶粒長大，焊點的機(jī)械性能下降。當(dāng)晶粒粗化、軟化后出現(xiàn)小的裂紋，周期性載荷使裂紋擴(kuò)展，zui后在循環(huán)周數(shù)不高的情況下整個焊點失效。焊點在一個很殘酷的應(yīng)用條件下工作，如環(huán)境條件150 ℃，比較接近焊料的熔點（183 ℃、217℃），常發(fā)生低周疲勞失效。?高周期載荷
電子產(chǎn)品除了受到低周載荷外，還會受到周期性彎曲載荷、周期性的震動等，由于沒有溫度的作用，都稱周期性機(jī)械載荷。由于它能達(dá)到上萬次循環(huán)才使產(chǎn)品失效，所以稱高周期載荷。比如按壓鍵盤的次數(shù)可以做到100 萬次。每次都是一個疲勞過程。每次按下都沒有超過它的機(jī)械強(qiáng)度，但按了很多次后，產(chǎn)品疲勞失效。?沖擊性載荷
有些產(chǎn)品如手機(jī)意外跌落會受到載荷沖擊；有些板做ITC 時，會對PCB 施加一定的力，這些力使印制板受到損壞。這些載荷是非周期性的，稱作沖擊載荷。
3．電子產(chǎn)品失效方式
電子產(chǎn)品失效方式主要有裂紋、斷裂、電性能失效等。在機(jī)械載荷條件下，疲勞失效以裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)大方式。沖擊性載荷會以脆性斷裂的失效方式，應(yīng)力比較集中造成，界面比較明顯。電化學(xué)載荷以電遷移和晶枝的生長而失效。
二、焊點可靠性
兩個主要因素影響焊點的可靠性，*焊點本身的特征；第二加載到焊點上的載荷條件。焊點的可靠性取決于焊點上所受應(yīng)力的程度。
1． 焊點本身的特征
焊點本身的特性與下列因素有關(guān)：焊料合金成分/微觀結(jié)構(gòu)、焊料與元件端頭及焊盤連接、焊點的形狀與大小、焊點中的空洞。?焊料合金成分以及微觀結(jié)構(gòu)
不同成分的合金材料，由于熔點的不同，所受熱應(yīng)力不同；表面張力不同，導(dǎo)致潤濕性不同；熱膨脹系數(shù)的不同，如焊料與引腳材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，導(dǎo)致焊料與界面、焊點的應(yīng)力差異；這些都會影響焊點可靠性。另外，不同金屬材料受電化學(xué)的影響程度會不一樣，有些會很敏感，有些不敏感，對焊點可靠性也會產(chǎn)生影響。
使用的焊料、焊膏材料不同對于焊點機(jī)械性能的影響是不同的。常用的SnAgCu 焊料，其中Ag 的作用是：添加一定量的Ag，形成細(xì)小晶粒Ag3Sn，對合金的機(jī)械性能改善很大，添加到3.5wt ％的Ag 時，SnAg 焊料的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度達(dá)到zui高。但添加Ag 含量超過4％，在焊料中會生成Ag3Sn 的大板塊結(jié)構(gòu)（如圖1），熱疲勞中，裂紋會在板塊和焊料的交界面形成并擴(kuò)展，造成可靠性的降低。SnAg 焊料中加入Cu 不僅維持SnAg 焊料良好的合金性能，同時降低了熔點。所以推薦使用Sn3Ag0.5Cu 的焊料。
另一種波峰焊接材料SnCu（如共晶Sn0.75Cu ）系，其高溫保持性能和熱疲勞等可靠性比SnAg 系差，原因是SnCu 在高溫下（如100℃），微細(xì)共晶組織（Sn5Cu6 微細(xì)顆粒＋Sn） 會轉(zhuǎn)變成分散的Sn5Cu6 粗大組織，導(dǎo)致可靠性降低。添加微量的Ag、Ni，材料成分發(fā)生細(xì)微變化，但機(jī)械性能及可靠性發(fā)生很大變化。如在SnCu 合金中添加0.1% 的Ag，塑性提高50％。
合金焊料的微觀結(jié)構(gòu)也會影響焊點的可靠性。如錫的各向異性對熱疲勞失效起著非常關(guān)鍵作用。無鉛合金是高含錫材料，β-Sn 具有很高的各向異性性，如96.5Sn-3.g 的a/c=0.56 （見圖2）。錫的各向異性特性可以用取向圖像顯微鏡（OIM：Orientation Image Microscopy） 驗證。由于相鄰錫晶粒之間的取向不同，將會引起內(nèi)應(yīng)力，在熱疲勞作用下，zui大正應(yīng)力使焊點產(chǎn)生表面拱起，zui大剪應(yīng)力使晶界滑移和分離等變形。
原文圖片，詳見可靠性論壇
圖1 .Ag 含量過多生成大板塊的Ag3Sn 圖2。β-Sn 的各向異性
焊點與焊盤、元件端頭界面的結(jié)合形式
在焊接過程中，焊料與元件端頭、PCB 表面發(fā)生潤濕、擴(kuò)散等反應(yīng)，形成金屬間化合物界面（IMC）。界面的形態(tài)對連接的可靠性影響很大，無論是界面結(jié)合層的成分還是厚度都會有影響。由于金屬間化合物比較脆，與元件端頭材料、PCB 表面材料的熱膨脹系數(shù)差別很大，結(jié)合層很厚情況下，容易龜裂，因此掌握界面結(jié)合層的形成及長大機(jī)理，對確?？煽啃苑浅Ｖ匾?br />如果是Cu 基材（如PCB 上涂覆OSP）與SnAgCu 焊料發(fā)生反應(yīng)，則界面是Sn5Cu6； SnCu3 兩層結(jié)構(gòu)，SnCu3 很薄，厚度小于1µm，在電鏡下有時觀察不到（如圖3），只有Sn5Cu6 結(jié)構(gòu)。金屬間化合物層的生長速率取決于原子在化合物中的擴(kuò)散速度和界面生成化合物的反應(yīng)速度兩個因素。由于SnAgCu 焊料與Cu 在時效過程中的反應(yīng)較緩慢，Sn5Cu6 的金屬間化合物生長緩慢，焊點能保持較高的剪切強(qiáng)度。
如果是Ni 基材上涂覆Au 或Sn，如ENIG 的PCB 或片式陶瓷元件的端頭鍍Ni/ Sn， SnAgCu 焊料與PCB、元件端頭的表面發(fā)生反應(yīng)，金、Sn 溶進(jìn)焊料，這時的界面是Ni3Sn4 的界面；一般Ni 阻檔層并不是純Ni 層，通常為Ni-P 層。如果Ni-P 層較薄，Ni 從鍍層向焊錫一側(cè)擴(kuò)散，形成Ni3Sn4，這樣Ni-P 中的Ni 欠缺，P 剩余，形成富P 的Ni.層。Ni3Sn4 與富P 的Ni 層界面附近容易形成克根達(dá)耳（kirkendall ）空洞，即由于擴(kuò)散速率的不同所產(chǎn)生的，通常情況下這種空洞不能被X-ray 檢測到，可以用SEM 觀察到。這些空洞附近連接強(qiáng)度降低，因此容易發(fā)生連接不良或性能劣化，使可靠性降低。見圖4。
當(dāng)無鉛焊料直接與AgPd 表面反應(yīng)時，也會產(chǎn)生形狀和可靠性很差的焊點。
所以在進(jìn)行焊接工藝時，首先分析焊接材料、元件端頭的材料以及PCB 表面的涂覆材料，采用相關(guān)焊接工藝，得出焊接后結(jié)合層的成分和厚度，這樣才能對所采用的工藝是否正確做到心中有數(shù)。
結(jié)合層的厚度，一般0.5-2.5µm 比較好，這是通常的工藝控制區(qū)域（見圖5），因為要考慮返修留有一定的空間。同時也要考慮產(chǎn)品的使用要求不同，對結(jié)合層要求也會有所不同。比如，單面焊接的板，結(jié)合層可以稍厚，因為后道工序PCB 不再受熱，結(jié)合層不會增加；而雙面焊接的板，要考慮經(jīng)受2 次高溫后焊點的結(jié)合層滿足強(qiáng)度要求，結(jié)合層厚度就要通過工藝參數(shù)嚴(yán)格控制。
原文圖片，詳見可靠性論壇
圖5.IMC 的工藝控制區(qū)圖6.BGA 焊點常發(fā)生失效的部位
焊點的形狀與大小
焊點的形狀與大小決定了焊點上的應(yīng)力應(yīng)變分布。如BGA 的焊球，應(yīng)力通常集中在焊球與芯片的界面，所以失效裂紋常發(fā)生在這些地方（見圖6）。焊點的高度也會影響應(yīng)力分布，焊點越高應(yīng)力分布越小。又如CBGA 上陶瓷載體與PCB 的CTE 不匹配造成焊球上承載高應(yīng)力，CCGA 由于立柱在熱膨脹時有一定的變形能力，緩解了焊點上的應(yīng)力集中，可靠性能力較高。?空洞
空洞在焊點中經(jīng)常見到，很容易被普通的X-ray 檢測到。它產(chǎn)生的原因主要有以下幾個方面：
*， 在回流過程中，焊膏中的助焊劑及溶劑氣體本來就不容易從融化的液態(tài)焊料中跑出去，因而在焊點中形成空洞。另外，回流焊中由于助焊劑的排氣作用，使氣體進(jìn)入焊料中，如無鉛焊膏中的焊劑進(jìn)入有鉛BGA 焊球中，當(dāng)焊料冷卻時，形成焊點空洞。加之溫度曲線設(shè)定不合理，錫膏中助焊劑沒揮發(fā)掉，也會加重空洞的形成（）。
第二，波峰焊、回流焊、手工焊過程中，焊點中也會進(jìn)入空氣形成空洞。 第三，焊點固化過程中由于焊料收縮而形成空洞。 第四，PCB板和基材對空洞的形成也產(chǎn)生影響。 電路板的設(shè)計也是形成空洞的一個主要原因。例如，焊盤中設(shè)計過孔，在焊接的過程中，
外界的空氣通過過孔進(jìn)入熔溶狀態(tài)的焊球，焊接完成冷卻后焊球中就會留下空洞。
多層板微盲孔也會使焊點空洞增加。因為，對于沒有堵孔的微盲孔，錫膏無法全部填滿而存在有空氣，在回流焊中空氣膨脹進(jìn)入錫球形成空洞。BGA 焊點中，常發(fā)現(xiàn)空洞機(jī)率zui多的位置是芯片載體的PCB 與ＢＧＡ之間的部分（見圖7）。
焊盤的鍍層不好或焊盤表面有污染都可能是在焊料與焊盤間出現(xiàn)空洞的原因（見圖8）。由于無鉛焊料的表面張力比鉛錫焊料大，具有較高的聚合力，在焊點結(jié)晶時可能出現(xiàn)非共晶組織，在高溫下更容易氧化，所以無鉛焊接更容易出現(xiàn)氣孔。是焊接中常見的問題（見圖9）。
圖7. BGA 發(fā)生空洞幾率zui多處圖8.焊料與PCB 界面的空洞圖9. 無鉛焊點的空洞是常見問題
空洞的大小和位置會影響焊點的可靠性?？斩丛诮缑嫔?，會造成局部過熱，或可能增強(qiáng)應(yīng)力和應(yīng)變，因此可以減少焊點的結(jié)構(gòu)完整性，降低了焊點的可靠性；然而，空洞在焊點里面，如果恰好在裂縫的頂點處，而且應(yīng)力集中在空洞的周圍，這些空洞不足夠大來產(chǎn)生新的裂縫，那樣就會有助于減少裂縫。
IPC7095 中對BGA 焊點上空洞的接收／拒收作了規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)主要考慮兩點：空洞的位置及尺寸?？斩床徽撌谴嬖谟谑裁次恢茫窃诤噶锨蛑虚g、焊盤層（靠近PCB 界面）或組件層（靠近IC 界面），視空洞尺寸及數(shù)量不同都會造成質(zhì)量和可靠性的影響。焊球內(nèi)部允許有小尺寸的焊球存在?？斩此伎臻g與焊球空間的比例可以按如下方法計算：例如空洞的直徑是焊球直徑的５０％，那么空洞所占的面積是焊球的面積的２５％。ＩＰＣ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接收標(biāo)準(zhǔn)為：焊盤層的空洞不能大于１０％的焊球面積，也即空洞的直徑不能超過３０％的焊球直徑。當(dāng)焊盤層空洞的面積超過焊球面積的２５％時，就視為一種缺陷，這時空洞的存在會對焊點的機(jī)械或電的可靠性造成隱患。在焊盤層空洞的面積在１０％～２５％的焊球面積時，
應(yīng)著力改進(jìn)工藝，消除或減少空洞。
表1 IPC7095 對BGA 焊點上空洞的規(guī)定
孔洞的位置 1 級 2 級 3 級
焊球中的空洞
% 直徑 60% 45% 30%
% 面積 36% 20% 9%
焊球與基板界面
% 直徑 50% 25% 20%
% 面積 25% 12% 4%
2． 焊點上的載荷條件
施加到焊點上的載荷條件不同，如熱機(jī)械載荷、機(jī)械沖擊載荷，對焊點的可靠性影響也不同，也就是說焊點上所受應(yīng)力的程度不同。
焊點在受熱機(jī)械載荷時，其上的應(yīng)力又由循環(huán)條件如溫度高低、溫差的大小以及在高溫和低溫停留時間的長短等決定；同時還有其它因素，如CET 是否匹配、元件尺寸、應(yīng)力率等的影響。其中CTE、溫度、器件的大小這三個主要的因素決定焊點的應(yīng)力與大小。?熱機(jī)械載荷對焊點的影響
矩形元件的焊點在熱機(jī)械載荷下常發(fā)生的失效，失效位置不是在PCB 與焊料的IMC 界面，而是位于IMC 附近的焊料中（見圖10）。導(dǎo)致熱疲勞失效的各種影響因素有：蠕變/應(yīng)力松弛、時效、各溫度極限停留時間的長短、拉/壓雙向應(yīng)力、錫元素的各向異性。
圖10. 焊點的熱機(jī)械失效在IMC 附近的焊料中圖11. 蠕變疲勞失效
蠕變是熱疲勞溫度曲線中溫度極限停留時間下，應(yīng)變控制的疲勞。當(dāng)材料加上凈載，隨著時間的變化，在一定溫度條件下的變形情況，即應(yīng)變控制行為。蠕變的結(jié)果是焊點出現(xiàn)剪切帶、晶界滑移現(xiàn)象（見圖11）。所以蠕變對焊點失效有一定的影響。
時效是焊接完成后，將焊點放在爐內(nèi)一段時間，在一定溫度下，焊點的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，主要是導(dǎo)致金屬間化合物的形成并長大（見圖12、圖13），使焊點強(qiáng)度減少。因此在熱疲勞溫度曲線的高溫極限停留階段是對IMC 的生長起關(guān)鍵作用，這對于那些需要做高低溫循環(huán)測試的產(chǎn)品特別引起注意，尤其是高可靠性產(chǎn)品。在SMT 工藝中，焊接參數(shù)的設(shè)置需要足夠重視，焊接溫度和時間不能使產(chǎn)品的結(jié)合層做到上限的厚度，一旦經(jīng)過高溫老化，又會增加結(jié)合層的厚度，導(dǎo)致焊點強(qiáng)度減弱，使焊點失效。時效對熱循環(huán)失效并不起主要的作用，因為焊點的失效裂紋主要發(fā)生在靠近金屬間化合物附近的焊料中，不在金屬間化合物層上。長大的金屬間化合物對焊點的抗拉強(qiáng)度有影響，對熱疲勞失效影響不大。
圖11。時效前 （共晶Sn-Ag） 圖12。時效后（180oC, 1400 小時）
長時間在低溫極限停留，焊點表面會產(chǎn)生失效損傷，晶粒之間有滑移損傷，力學(xué)性能降低，強(qiáng)度降低很大。由于高溫愈合效果，長時間在高溫極限停留，焊點表面無明顯損傷。實際環(huán)境溫度的變化使焊點受到拉/壓雙向應(yīng)力，這是影響焊點熱機(jī)械疲勞失效的重要影響因素。這在后面會有案例分析。