无铅制造过程可靠性需考虑五个方面

无铅制造过程中的可靠性问题一直是近期热门探讨的话题，日前在深圳举行的IPCWorks Aisa 2007研讨会上，清华-伟创力SMT实验室通过一个案例分析，分享其在无铅生产过程中如何考虑各种因素对可靠性的影响，从而得到高性能的产品。 该实验室主任王豫明女士认为应从五大方面来考虑：元器件、印制板、材料、回流炉及焊接曲线和工艺确认。元件主要考核Pb含量、静电敏感程度、潮湿敏感等级等，并对元件进行了预处理。无铅PCB通常只注重表面处理，却忽略印制板板材。由于大量无铅板材发生变化、印制工艺过程会发生变化，都影响SMT焊接工艺以及板级产品的可靠性。另外，回流炉是无铅焊接中最关键的设备，必须全面了解炉子的情况，如横截面温差、炉长的温度变化、加热效率等，对于焊点的影响做到心中有数，从而容易设置焊接曲线，使每个焊点都焊接良好，又保证元件不遭受过热。最后，对焊点进行截面剖切和电镀分析，分析结合层的情况及晶粒的大小，确定工艺参数。 该案例的背景是清华-伟创力SMT实验室承接的小型订单，主要生产高附加值高复杂度的组装印制板，板上拥有3,000多种元器件，0402型贴片元件的数量达100多个，关键元器件有BGA、QFP和QFN等。下面我们分别从这五方面探讨无铅制造的可靠性问题。 元器件 在无铅制造过程中，首先考虑的可靠性因素是元器件。对于元器件，不光要了解其外表，还要首先了解它的端子/引脚的镀层结构和材料。比如结合层的类型，如果是金镀层则是镍和锡形成的Ni3Sn4，如果里面的镀层是铜引脚，外面的结合层就基本是Cu6Sn5。而BGA的结合层类型CCGA90Pb属于高铅产品，高铅熔点为300度，焊接的时候高铅是不熔的。 了解了结合层类型之后还要结合焊接工艺的把握，尤其是焊端材料的最低温度，它决定了整体最低温度要求。比如该表层是镍钯金的话，工艺上就要做相应的处理，由于钯溶解到焊料里面需要一定的时间，因此时间需要稍微长一点。但如果是银端头，如片式元件，这时候银端头时间就不能太长，太长就会熔到焊料里面，端头发生破损，导致浸锡现象。因此，可靠性因素第一要了解元器件的焊端结构，就了解了焊点的可靠性。 为什么要考虑这些呢？因为各种金属的溶解速度是不一样的，锡的速度最快，依次是金、银、铜，钯和镍的溶解速度则很慢。通常，镍和锡形成的Ni3Sn4结合层比Cu6Sn5的结合层从长期角度看较好一些，而36Pb/62Sn/2Ag相比40Pb/60Sn铅锡合金，前者由于加入Ag银元素缓解在焊料中的溶解速度，因此溶解速度要慢一些。另外需要说明的是，含Pb铅的材料在焊接时，曲线的调制一定要长一些。 元器件可靠性考虑的第二个因素是元件的耐温。元件的耐温模式有几种，有的是耐冲击不耐高温，有的是耐高温但不耐冲击。比如陶瓷片式电容、钽、铝电解电容就属于耐高温不耐冲击，斜率太陡便会导致形成裂纹。因此元器件厂商最好给出元件的耐温曲线，通常给出三个指标：元器件的耐冲击性，即升温斜率℃/S；元件能够承受的最高温度；元件能吸收的最大热容量。需要注意的是，通常元器件厂商提供的温度曲线只是给你元件的耐温曲线，器件封装的要求常严格于锡膏要求，所以耐温曲线指元件能够耐受的焊接温度，而不是焊接温区曲线。 元件的耐温将决定焊接最高温度，很多元件最高耐温只有240℃的话，焊接时就一定要注意不能超过这一数值。大型制造商一般在制造过程中不会出现问题，但许多小作坊由于元器件品种多，订单和客户群很广泛，就会发生许多问题，产生元器件失效的可靠性问题。另外，采购的过程也要十分谨慎，许多由有铅转为无铅的产品，即使经过查验符合IPC/JEDEC J-STD-020C标准，也可能不耐高温，而导致元器件失效。 在生产过程中，元器件铅含量的测量也是十分必要的。测量铅含量的方法有几种，第一种方法是将元件端头/引脚的成分分离出来，测量Pb的含量，比如BGA和QFP都是这样做。第二种方法是将元件研磨粉碎，测量Pb的含量，它是比较便宜的方式，电阻电容常用此方法。第三种方法就是仪器分析法。该案例的检测结论是所有元件除电阻外，满足要求。由于电阻用研磨的方法检测，结果为1300PPM左右，主要原因是元件制造中需要Pb，但不是端头超标。 元器件第四个需要考虑的是元件静电问题。该案例检查了所有的元件，有些生产元件是属于静电等级1级的，如ISL6232CAZA，有属于2级的ISL6227CAZ，还有属于TDB级(HBM)的ISL6506ACB，以及静电等级要求防静电的RB751V-40。静电是导致元件失效的一种可靠性因素，它甚至在生产完成和调试后运送到客户那里才发生静电损伤，因此要注意处理。目前板上的芯片越来越密集，精度也越来越高，对静电也因此越来越敏感，需要十分注意。 早期静电敏感等级分为三等：1级为0~1999V；2级为2000~3999V；3级是4000~15000V。目前使用的等级划分沿用的是美国和欧洲的标准，将敏感器件按照HBM、MM、CDM、SDM等不同的放电模型划分为4~7个等级。比如HBM是指人体模式，对人体的静电比较敏感的，MM是机器放电模式。因为HBM和MM会因为外部放电而影响到别的物体，需要特别注意一下。所有的元器件都应按照要求做静电敏感元件处理，其中特别提及的元件要特别注意。 第五个元件考虑因素就是潮湿敏感，也是生产中要特别注意的，因为板级产品其实已经相当于整机产品。潮湿敏感元件是一定要进行除湿处理的，如果库存时间较长，则应该相应延长烘烤时间，以免损失。 综合来说，元器件重点考虑的就是湿敏和静电、高温三个因素，致于端头则是为后面的焊接做准备的。 印制板 “对于印制板很多人通常是忽略的，因为印制板一般是先设计后订购，然后装配。但是在装配的过程中往往会出现很多意想不到的问题。”王豫明说。 她介绍说，印制板需要注意五个问题：板材的要求、镀层的要求、印制板厂加工工艺的变化、SMT工艺的处理和焊盘设计。 首先是板材的要求，无铅板材必须满足的几个关键要素包括：Tg一定要150℃，Td(Min)是非常重要的指标，无铅一般要达到320℃；无铅中需要加填料，比如很细的二氧化硅20%，固化剂也发生变化，由Dicy变为PN-cured；加入沙子的目的就是减低印制板在Z轴方向上的热膨胀系数，α1为60，α2为300，Z轴对可靠性的影响在于可能会造成PCB分层和孔断裂。因为Z轴是没有玻璃纤维，只有树脂，在加热过程中迅速膨胀，每一度温度升高很快就会把树脂拉断或产生隐性裂纹，今后造成孔断裂。 第二是对印制板镀层的要求。其可靠性问题主要考虑金脆问题和黑盘问题。所谓金脆是指镀金层金的厚度太厚，造成板的金脆问题，因而金的厚度要求是0.1μm。黑盘问题则要求控制Ni镍的厚度在5~7μm，由于这里有焊膏，因此只能是控制问题而解决不了根本的问题，黑盘问题要求控制好渡槽的溶液配方，以及控制渡槽溶液更换频率，应对印制板厂提出一定的要求。 第三是印制板厂加工工艺的变化。对印制板厂来说，还是应该对其进行考察。由于更换到无铅制造，新的生产设备必须具备转速为20万(RPM)，如果原有设备是12万(RPM)转的话，那么生产效率必须降低一半，打孔速度慢一些，因为太快将造成可靠性问题。另外，印制板厂的压合工艺也发生了变化，印制板厂必须进行板子的烘烤(145℃2~4小时)。现在的板材还需要进行黑氧化的加强，印制板一定要提高铜箔与PCB的附着力，加强层压之间的结合力。当然镀通孔工艺也发生了变化，IST是否替代TCT工艺，同时需要切片样件，反应镀通孔的厚度20微米以上。需要测试来验证、保证通孔是否好。 此时，SMT加工工艺也要相应做出变化处理，需要注意的事项有：焊接曲线调制的时候要考虑板材是否会分层，峰值温度最好不超过250度，TAL液态温度以上时间60秒以下，曲线最好是有鞍型＋峰值为平顶式，最好不用三角形。另外一个需要注意的是焊前烘烤。焊前烘烤100~120℃1~3小时或2~6小时；根据板的吸潮情况以及环境、储存条件而定。烘烤的目的是消除层压应力，排除印制板吸取的潮气。 印制板需要注意的第五个问题是焊盘设计，王豫明建议说：“焊盘的设计很关键，最好还是要看一看，考察各种元件的焊盘尺寸，便于模板设计。”该案例中几个关键的元件包括Chip元件、QFN和BGA三种。对于尺寸越来越小的chip元件，将来如果返工返修可靠性将有所下降。QFN主要看其热焊盘，最好是最大面积的接触，否则会造成散热不够。例如一些手机板由于QFN的焊盘设计不合理，造成通话过程手机发热非常明显。BGA一定要焊好，焊头、焊膏还有焊盘设计都是要考虑的。 材料 材料部分是很重要的，但它又是非常难做的。其中需要制造商进行焊膏认证、焊剂评估以及焊膏、焊剂、焊丝的选择。可靠性考虑的因素包括：焊料与元件、印制板材料的兼容性；电化学迁移；腐蚀；表面绝缘电阻下降；焊剂材料的兼容性。 焊膏认证主要包括合金成分的选择、认证的焊膏品种选择和焊膏认证。焊膏认证里面包括对焊粉形状及颗粒直径、焊膏粘度和黏着度的认证及测试，对工艺的要求包括可印刷性、塌陷、润湿性和焊球。 该案例进行了焊料合金的选择。案例中选择了一家专门做软板的外资企业，其中元件是电镀金的，PCB软板也是电镀金的，焊料采用Sn4Ag0.5Cu。虽然曲线没有问题，但结果总是焊不好。进行切片分析得出的结论是，焊膏材料选择并不合适，不应选含银焊料。因为PCB镀金层太厚，焊点中金成分太多，造成焊点金脆；软板的金层太厚，需要扩散时间加长，曲线中普通的50~60s不够，造成焊接不良。所以印制板的情况变化很多，焊料的选择还是很重要的。 第二个焊膏认证中还要进行颗粒的测试、粘度、黏着力测试。这里面要求Ti触变系数要好，Ti表征焊膏的触变性能，透过焊膏粘度来计算，优良的焊膏触变系数较高。Ti在0.5~0.6之间，剪切力恢复系数R%越小越好。这主要是对焊膏本身性能的评估。第二个评估是粉刷性，有的焊盘上面锡膏很多有的则很少，焊球也是润湿性不同，润湿性越大越好焊。 除了焊膏的评估，还有焊剂的评估，评估的方式包括铜镜试验，铬酸银试验和表面绝缘电阻法，这三个都是按照IPC的标准来进行。铜镜试验主要用于检测助焊剂对铜镜的腐蚀情况，根据IPC-TM-650 2.3.32标准进行，要求助焊剂不应使铜膜有穿透性腐蚀。铬酸银试验目的是测试助焊剂中卤化物的存在，根据IPC-TM-650 2.3.33标准进行，如果试纸出现白色或黄色变化就表明了氯化物或者溴化物的存在。 该案例中仅做了表面绝缘电阻的试验。表面绝缘电阻测试的目的是通过对有助焊剂的PCB表面绝缘电阻的降级，测定助焊剂的特性。根据IPC-TM-650 2.6.3.3标准进行，将焊剂和焊膏放置于PCB上进行波峰焊接或回流焊接。样件在高温高湿实验环境85℃±2℃，湿度20%中放置3小时，再在82±2%放置至少1小时。样件保持在仓内不懂，给2组加上45V直流偏压，分别在加压24h(1天)、96h(4天)、168h(7天)后，将45V偏压撤掉，加上100V直流测试电压(与偏压极性相反)，测量1~2、2~3、3~4、4~5间的绝缘电阻，并记录。要求表面绝缘电阻大于1×108Ω。枝状的生长＜25%间距。 焊剂的评估需要注意的是焊剂材料的兼容性，焊剂、焊膏的助焊剂一定要相容，焊膏中的焊剂，手工焊接中焊丝的焊剂以及涂覆的助焊剂、波峰焊接的焊剂均要求相兼容。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，必须测量表面绝缘电阻。 回流炉及温度曲线 回流炉是无铅焊接中最关键的设备，必须全面了解炉子的情况，如横截面温差、炉长的温度变化、加热效率等。从而容易设置焊接曲线，使每个焊点都焊接良好，又保证元件不遭受过热。 首先，需要特别提醒的是，需要了解你的测量系统是否精准，测出来的曲线是否准确，测量系统的误差情况。“测温系统一定要降低误差，这里面有各种测温误差，有的公司为了省钱在一家公司买了测温仪在另外一家买了炉子，这样造成的误差非常大。从有铅向无铅转换，必须尽量保证测量系统精度误差小。”王豫明说。其中，误差源包括热耦连接材料、热耦连接方法、热耦精度、测温仪精度等，分别将产生2℃、4℃、2.5℃和2℃的误差。 其次，您需要全面了解炉子的性能。大型制造厂使用的炉子可能较好但小型工厂却并不一定好，需要全面了解你的设备。第三是温度曲线的设置。加热因子是液态温度以上时间TAL和峰值温度所组成的面积。对回流曲线TAL以上面积进行积分，反应的是焊点吸收的热容量的大小。加热因子最好在1,500以上。 工艺确认 焊完之后需要对焊板进行工艺确认，首先是进行X-Ray检查，发现空洞问题可通过模板、焊膏和温度曲线调节的措施来解决。其次是微观结构的分析，进行切片，可包括金相图的分析、电镜分析和能谱分析。从金相图片看各焊点的润湿情况，是否满足610D的标准要求。电镜分析看结合层形状、厚度、成分，以及晶粒组织、大小和分布。能谱分析可以进行点的测量和线扫描，线扫描看结合层形成是否良好，材料分布状况。