無鉛焊點(diǎn)的可靠性和工藝控制

1、無鉛焊點(diǎn)的可靠性和工藝控制作者：曾睿州, KIC International Sales, Inc.薛競(jìng)成, CCF Engineering & Management Consulting Services前言PCBA電子組裝工藝基本上是熱處理工藝。組裝過程中熱的處理，如果和所選材料、PCBA工藝設(shè)計(jì)、以及焊接工藝不能配合的話，可能造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降，甚至造成對(duì)焊點(diǎn)的破壞。要減少這方面的風(fēng)險(xiǎn)，我們需要對(duì)熱處理所可能造成的問題進(jìn)行仔細(xì)的了解和分析。當(dāng)鉛在無鉛技術(shù)的要求下被從焊料、器件焊端、以及PCB焊盤上被除去的同時(shí)，整個(gè)組裝工藝和焊點(diǎn)的可靠性上也出現(xiàn)了明顯的變化。除此之外，在工藝設(shè)計(jì)和

2、工藝原理上，無鉛技術(shù)基本上沒有帶來太大的影響，許多錫鉛時(shí)代的做法依然不變。不過由于新無鉛材料特性上不像錫鉛材料那么具有容忍性，這些工作在無鉛技術(shù)中都要求做得比較全面和深入。種類繁多的無鉛材料，給焊接工藝以及可靠性研究工作帶來很多不便。我們不可能，也沒有意向在本文中有效的來解說某一焊接系統(tǒng)的技術(shù)知識(shí)（系統(tǒng)指包括某一焊料、器件、PCB焊盤鍍層的組合），不過對(duì)于如何確保有較好可靠性的做法，以及一些無鉛技術(shù)上的重要技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在本文中將會(huì)與讀者們分享。器件封裝的吸潮和熱損壞許多塑膠封裝的器件，對(duì)吸潮問題都有一定的敏感性。這在傳統(tǒng)錫鉛技術(shù)中我們已經(jīng)熟悉了。如果沒有很好的預(yù)防和處理，吸潮將可能演變成類似“爆

3、米花現(xiàn)象”之類的故障問題，從而影響器件的短期或長(zhǎng)期壽命。雖然這不是個(gè)新的技術(shù)問題，但無鉛技術(shù)帶來的較高熱能（溫度和時(shí)間）卻加重了這問題的程度。在業(yè)界還沒有找出表現(xiàn)良好的新材料取代傳統(tǒng)塑料之前，一個(gè)過渡的簡(jiǎn)單做法是加強(qiáng)防潮和處理的管制，把現(xiàn)有的防潮能力等級(jí)提高了1到2級(jí)。也就是說，同一塑料封裝器件，在錫鉛應(yīng)用中如果是被定為第3級(jí)的話，在無鉛應(yīng)用中就必須被定為4或5級(jí)能力來管理和使用。IPC/JEDEC 機(jī)構(gòu)對(duì)其原有的防潮標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)進(jìn)行了無鉛應(yīng)對(duì)的修改，而發(fā)布了J-STD-020C參考標(biāo)準(zhǔn) (圖1). 建議所有被稱為無鉛器件都應(yīng)該承受得起這標(biāo)準(zhǔn)中的熱曲線。需要注意的一點(diǎn)，是該標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)范圍值（圖

4、1中的藍(lán)色部分）。這就允許供應(yīng)商之間存在一定的性能差異。這在臨界情況下可能會(huì)給用戶帶來一致性不足的問題。所以用戶和供應(yīng)商之間在使用這標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)該有仔細(xì)和足夠的溝通。在過去，當(dāng)器件發(fā)現(xiàn)超出防潮規(guī)范時(shí)，一個(gè)常用的做法就是對(duì)器件按照標(biāo)準(zhǔn)或供應(yīng)商推薦的參數(shù)（溫度和時(shí)間）進(jìn)行烘烤處理。這種做法在無鉛技術(shù)中有必要進(jìn)行重新評(píng)估。因?yàn)闊o鉛對(duì)可焊性以及潤(rùn)濕性的要求較嚴(yán)格，而烘烤工藝是對(duì)可焊性和潤(rùn)濕性不利的。在無鉛的較高熱能處理下，由于對(duì)目前器件的破壞性和風(fēng)險(xiǎn)提高了，所以一些用戶可能有必要對(duì)于其可能出現(xiàn)的破壞模式和原理進(jìn)行更詳細(xì)精確的了解。一種較好的做法是和供應(yīng)商一起合作制定下列三方面的特性指標(biāo)：1.可以承受的最高

5、溫度（以及時(shí)間-一般時(shí)間較短，例如3秒鐘）；2.能承受的最高升溫或降溫速率；3.能承受的總熱能（整個(gè)焊接曲線的面積）。需要分別以上三個(gè)特性的原因，是因?yàn)樗鼈兊钠茐哪Ｊ讲煌?，處理方法不同，以及它們之間并沒有固定和明確的關(guān)系。也就是說，一個(gè)能承受很高溫度的器件，未必能承受較高的升降溫速率。目前市場(chǎng)上多數(shù)的測(cè)溫器（Profiler）能夠自動(dòng)測(cè)量到上述前兩項(xiàng)參數(shù)。例如“Reflow Peak Temperature” （焊接峰值溫度）和“Slope”（斜率）。但一般不能自動(dòng)測(cè)量第三項(xiàng)參數(shù)。這就需要測(cè)溫器能夠提供其所有測(cè)量的原始數(shù)據(jù)，有了原始數(shù)據(jù)群，用戶就可以通過積分計(jì)算來獲得第三項(xiàng)參數(shù)的值了。焊接工藝

6、焊接過程是組裝中熱處理的主要部分。其過程包括了“升溫”、“預(yù)熱/浸泡”、“回流”和“冷卻”幾個(gè)步驟。所有這些工序，如果沒有適當(dāng)?shù)奶幚恚伎赡茉斐蓪?duì)焊點(diǎn)可靠性的破壞或威脅。焊點(diǎn)的可靠性，在很大的程度上決定于IMC（金屬間化合物或簡(jiǎn)稱合金層）的形成狀態(tài)。當(dāng)IMC未形成或形成后的厚度太薄時(shí)，我們稱該焊點(diǎn)為“虛焊”、“弱焊”或“冷焊”（因?yàn)榻?jīng)常是熱能不足引起）。另一方面，當(dāng)IMC形成的厚度過于厚時(shí)，由于合金層的一般脆弱性，焊點(diǎn)也可能是不可靠的。這我們也稱之為“弱焊”或“脆焊”。在焊接過程中，IMC必須形成并具有適當(dāng)?shù)暮穸取Ｔ诤附舆^程中，“升溫”和“預(yù)熱/浸泡”的作用是使助焊劑達(dá)到其活性溫度，同時(shí)在升溫

7、過程中將焊劑中那些無助于焊接的化學(xué)成分，如載體、穩(wěn)定劑、稀釋劑等等給揮發(fā)掉。這些無助于焊接的化學(xué)成分，如果沒有很好的揮發(fā)處理，可能會(huì)影響活化劑清除氧化物和污染物的效果，而導(dǎo)致IMC的形成困難。由于焊劑的配方因供應(yīng)商而不同，這些工藝（溫度和時(shí)間）要求也就存在一定程度的個(gè)性化特征。越能選擇適當(dāng)錫膏并很好掌握所使用錫膏特性的用戶，其工藝能力也就越強(qiáng)。雖然無鉛焊劑的配方不同于錫鉛錫膏中焊劑的配方，但其研究和使用的方法是一樣的，只是參數(shù)值有所改變罷了。焊接過程的“回流”部分是IMC形成的關(guān)鍵部分，除了影響IMC，也在某些程度上影響焊點(diǎn)固化后的微晶結(jié)構(gòu)。這兩者都會(huì)影響焊點(diǎn)的可靠性。在錫鉛技術(shù)時(shí)代，業(yè)界有種

8、簡(jiǎn)單的依據(jù)，就是將焊接峰值溫度設(shè)到高于焊料合金熔點(diǎn)20到30oC的范圍，并讓焊點(diǎn)熔化維持約45到90秒的時(shí)間（這時(shí)間稱TAL Time Above Liquidus）。到了無鉛技術(shù)時(shí)，用戶對(duì)這種傳統(tǒng)做法必須小心處理。尤其是溫度方面。無鉛焊料的熔點(diǎn)一般較高，比如被推薦的錫-銀-銅合金焊料的熔點(diǎn)是近217oC（高于傳統(tǒng)錫鉛34oC），在這溫度上如果再提高20到30oC，并伴以長(zhǎng)的TAL時(shí)間以達(dá)到足夠的潤(rùn)濕的話，是很有可能對(duì)某些器件造成熱破壞的。此外，IMC在焊點(diǎn)熔化的情況下，尤其是含錫量大的情況下（無鉛含錫量很大），其增長(zhǎng)速度是很快的。這就容易形成厚的IMC而使焊點(diǎn)變脆。所以峰值溫度和TAL參數(shù)的

9、控制在無鉛技術(shù)的可靠性考慮中更顯得關(guān)鍵。焊點(diǎn)的微晶結(jié)構(gòu)也是決定焊點(diǎn)可靠性的重要因素。一般而言，對(duì)于那些關(guān)注疲勞損害故障模式的產(chǎn)品來說，較細(xì)的微晶結(jié)構(gòu)是個(gè)偏好的選擇。這可以通過回流曲線中設(shè)置較快的冷卻速率來獲得。焊接材料對(duì)用戶來說，或許無鉛最大的影響是材料的選擇。業(yè)界已經(jīng)認(rèn)識(shí)到?jīng)]有一種鉛的替代金屬可以提供和鉛一樣的潤(rùn)濕能力。圖2顯示了SAC和錫鉛焊料在一些常用焊盤鍍層材料上的潤(rùn)濕性表現(xiàn)。另一方面，在過去15年余的無數(shù)無鉛研究中，我們也認(rèn)識(shí)到不同的焊料、器件焊端、以及焊盤鍍層材料的組合會(huì)提供相當(dāng)不同的可靠性表現(xiàn)。表1和圖3就是兩個(gè)例子。我們從中可以看到不同材料的可靠性可以有一定的差異。這是因?yàn)椴煌?/p>

10、材料所形成的IMC和微晶結(jié)構(gòu)的不同的原因。即使是相同合金，只要其成分比例有所差異也可能帶來明顯不同的可靠性性能。雖然在無鉛技術(shù)中，有不少材料還是沿用以前錫鉛時(shí)代就存在的無鉛材料，但它們和新的無鉛焊料配合后的表現(xiàn)仍然需要獲得重新了解和認(rèn)證。除了對(duì)各個(gè)可能都是特有的特性進(jìn)行試驗(yàn)研究外，我們似乎沒有簡(jiǎn)單的方法可循。例如在錫鉛技術(shù)中，NiAu（鎳金）鍍層的焊盤，其可靠性被發(fā)覺是低于OSP、HASL以及ImAg等焊盤鍍層技術(shù)。但當(dāng)使用在無鉛技術(shù)時(shí)，NiAu反而表現(xiàn)的較其他鍍層技術(shù)更為可靠。在無鉛技術(shù)中我們將面對(duì)的一個(gè)問題，是眾多的材料選擇以及它們之間千變?nèi)f化的組合特性。在錫鉛技術(shù)里，我們的選擇有限，例如

11、Sn63Pb37, Sn60Pb40, Sn10Pb90, Sn62Pb36Ag2, Sn96.5Ag3.5等等屈指可數(shù)。但進(jìn)入無鉛世界后，我們將面對(duì)的是數(shù)以百計(jì)的種類和組合。除了種類繁多之外，許多無鉛合金都是三元，甚至是四元合金，這和基本上為二元合金的錫鉛技術(shù)比較起來復(fù)雜得多。幸運(yùn)的是，業(yè)界投入了不少資源和努力在進(jìn)行種類上的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。而在近年里也取得相當(dāng)可觀的成績(jī)。盡管如此，無鉛的選擇還是比起錫鉛技術(shù)多得多。我們的信心有多高？我們?cè)l(fā)現(xiàn)，不同實(shí)驗(yàn)室或供應(yīng)商之間的研究結(jié)果存在差異，有些報(bào)告甚至矛盾和持有完全相反的觀點(diǎn)結(jié)論。這是因?yàn)橛绊懞更c(diǎn)可靠性的因素眾多。比如焊端特性（包括結(jié)構(gòu)、合金、鍍層厚度

12、、使用的電鍍技術(shù)和質(zhì)量等等）、焊端狀況（如氧化程度和污染）、焊劑配方和質(zhì)量、測(cè)試板的設(shè)計(jì)（DFM/DFR）、試驗(yàn)時(shí)的工藝設(shè)置和控制、設(shè)備表現(xiàn)和狀況（精度和穩(wěn)定性）、以及測(cè)溫Profiling的準(zhǔn)確性等等。對(duì)于試驗(yàn)者來說，要控制所有這些因素即使可能也是件十分艱難的事。任何因素的變更差異，都可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的不同。由于上述原因，用戶必須對(duì)試驗(yàn)工作的設(shè)計(jì)和執(zhí)行抱著十分謹(jǐn)慎的態(tài)度。所有的試驗(yàn)都必須很好的模擬實(shí)際應(yīng)用的情況和條件。除了上述的難處外，業(yè)界對(duì)無鉛的可靠性工作經(jīng)驗(yàn)尚嫩。我們的沿用的模擬測(cè)試方法有多可靠？是否能有效模擬出實(shí)際應(yīng)用的情況？業(yè)界對(duì)無鉛的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)也只不過5到6年，而無鉛產(chǎn)量還不到兩

13、成；其中多數(shù)用戶實(shí)際上也不過一兩年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，這足夠讓我們對(duì)可靠性這需要時(shí)間認(rèn)證的課題提出準(zhǔn)確的評(píng)語(yǔ)嗎？這些都是我們?cè)诒姸嗖牧虾凸に嚱M合中有待解答的問題。工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備因素當(dāng)工藝要求變得更嚴(yán)格時(shí)，工藝設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)，以及焊接設(shè)備等因素的重要性也變得明顯了。用戶必須制定良好的DFM（可制造性設(shè)計(jì)）和DFR（可靠性設(shè)計(jì)）設(shè)計(jì)規(guī)范，并嚴(yán)格要求遵從。這確保工藝的可調(diào)性和可控性?？烧{(diào)性和可控性較高的工藝，也就是Cpk較高的工藝，是良好質(zhì)量和可靠性的保證。我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到無鉛技術(shù)中有多種不同的材料，它們之間的組合對(duì)工藝的要求不一，對(duì)可靠性的表現(xiàn)也不同。良好的設(shè)計(jì)工作會(huì)選擇組合配搭好的材料，并對(duì)它們進(jìn)行合理

14、的布局，使它們?cè)诳傮w工藝要求中的差異出現(xiàn)最小的情況。這就確保了工藝的可調(diào)性。而由于變數(shù)差異較小，其優(yōu)化調(diào)整后的設(shè)置點(diǎn)，距離工藝或質(zhì)量窗口極限也較遠(yuǎn)，這就確保了工藝的可控性。目前使用在回流焊接技術(shù)中的主流焊接技術(shù)是“熱風(fēng)”技術(shù)。在這技術(shù)中，空氣的加熱和對(duì)流控制是確保工藝質(zhì)量的關(guān)鍵。可惜這兩者的控制都非易事，尤其是面對(duì)形狀和密度變化多端的PCBA。對(duì)回流爐子進(jìn)行這方面能力測(cè)試時(shí)，Cm值小于1的現(xiàn)象并非少見。在要求高的無鉛技術(shù)里，選擇一臺(tái)性能足夠的爐子也是個(gè)關(guān)鍵。市場(chǎng)上能夠很好勝任的爐子，到了無鉛技術(shù)中肯定比起處理錫鉛技術(shù)時(shí)少了許多。確保焊點(diǎn)可靠性的步驟以下的系統(tǒng)做法，可以協(xié)助用戶的無鉛焊點(diǎn)的可靠性

15、得到較好的保障。1.進(jìn)行足夠的評(píng)估測(cè)試，以了解所喜好材料和它們之間組合的工藝和質(zhì)量特性。并以這些數(shù)據(jù)信息做為依據(jù)進(jìn)行最佳配搭和選擇。一些評(píng)估測(cè)試可以通過供應(yīng)商執(zhí)行。采用供應(yīng)商或其客戶已有的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)信息也是個(gè)很有用的做法。材料必須以系統(tǒng)的概念來評(píng)估。所謂系統(tǒng)就是包括了焊料、器件、和PCB三者的整體考慮；2.制定您本身的DFM/DFR規(guī)范。從市場(chǎng)上或從其他用戶那里所得到的所謂標(biāo)準(zhǔn)雖然可以做為良好的參考，但無鉛的高要求需要用戶按照本身的狀況和能力來制定適合本身的規(guī)范；3.選擇良好的回流爐子。在更嚴(yán)格的無鉛技術(shù)要求下，采購(gòu)前對(duì)爐子的實(shí)際測(cè)試評(píng)估變成了重要的工作。一些對(duì)用戶十分關(guān)鍵的性能，如加熱效率和對(duì)流性等等，未必是供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)之一?；跓o鉛的工藝和質(zhì)量窗口較小，用戶應(yīng)該注重對(duì)Cm值的評(píng)估；4.制定您的工藝規(guī)范。工藝規(guī)范是工藝設(shè)置和管制的依據(jù)。它必須建立在對(duì)以上所有信息的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)上。缺少了對(duì)以上3方面信息的準(zhǔn)確和足夠的認(rèn)識(shí)，您將無法制定一套有意義和有效的工藝規(guī)范；5.利用工藝規(guī)范，對(duì)負(fù)責(zé)工藝的技術(shù)操作員進(jìn)行足夠的培訓(xùn)，并確保他們能夠每次都準(zhǔn)確的設(shè)置和確認(rèn)所需要的工藝參數(shù)；6.不要假設(shè)您的工藝是穩(wěn)定的。對(duì)您的設(shè)備和工藝進(jìn)行Cmk和Cpk之類的