無鉛焊點可靠性問題分析及測試方法

影響無鉛焊點可靠性的因素

　　1對無鉛焊料的性能要求

　　傳統(tǒng)錫鉛焊料因具有價廉、易焊接、成形美觀以及物理、力學和冶金性能好等特點而作為連接元器件和印刷電路板的標準材料，并形成了一整套的使用工藝，長期以來深受電子廠商的青睞。但由于鉛及鉛化合物對人類健康和生活環(huán)境的不利影響，限制和禁止使用含鉛焊料的呼聲日益高漲，各國政府紛紛制定相應的法規(guī)約束電子產品的使用材料和廢棄物的處理，電子封裝的環(huán)境友好化要求已成為全球趨勢。因此目前電子行業(yè)全面面臨無鉛化的要求，已經對整個行業(yè)形成巨大沖擊。近幾年無鉛焊料迅速發(fā)展起來，最常用的是Sn-Ag-Cu系列。

　　微電子領域使用的焊料有著很嚴格的性能要求，無鉛焊料也不例外，不僅包括電學和力學性能，還必須具有理想的熔融溫度。從制造工藝和可靠性兩方面考慮，表1列出了焊料合金的一些重要性能。

　　2影響無鉛焊點可靠性的因素

　　與傳統(tǒng)的含鉛工藝相比，無鉛化焊接由于焊料的差異和工藝參數的調整，必不可少地會給焊點可靠性帶來一定的影響。首先是目前無鉛焊料的熔點較高，一般都在217℃左右，而傳統(tǒng)的Sn-Pb共晶焊料熔點是183℃，溫度曲線的提升隨之會帶來焊料易氧化及金屬間化合物生長迅速等問題。其次是由于焊料不含Pb，焊料的潤濕性能較差，容易導致產品焊點的自校準能力、拉伸強度、剪切強度等不能滿足要求。以某廠商為例，原含鉛工藝焊點不合格率一般平均在50×10-6（0．05％）左右，而無鉛工藝由于焊料潤濕性差，不合格率上升至200×10-6～500×10-6（0．2～0．5％）。

　　鑒于無鉛化焊點可靠性方面目前仍存在許多問題，有必要對此進行分析。無鉛焊點的可靠性問題主要來源于：焊點的剪切疲勞與蠕變裂紋［7，8，9］、電遷移［8，10］、焊料與基體界面金屬間化合物形成裂紋［7，8，11，12］、Sn晶須生長引起短路［7，8］，電腐蝕和化學腐蝕問題r¨等。以下我們主要從設計、材料與工藝角度介紹影響無鉛焊點可靠性的一些因素。

　?。?）設計：PCB的合理設計問題。如焊盤設計不合理、發(fā)熱量大的元件密集分布、相鄰高大元件在回流焊時產生“高樓效應”、形成熱風沖擊等。

　?。?）材料：焊料的選擇極為重要。目前，大多采用錫銀銅合金系列，液相溫度是217℃-221℃，這就要求再流焊具有較高的峰值溫度，如前所述會帶來焊料及導體材料（如Cu箔）易高溫氧化、金屬間化合物生長迅速等問題。因為在焊接過程中，熔融的釬料與焊接襯底接觸時，由于高溫在界面會形成一層金屬間化合物（IMc）。其形成不但受回流焊溫度、時間的控制，而且在后期使用過程中其厚度會隨時間增加。

　　研究表明界面上的金屬間化合物是影響焊點可靠性的一個關鍵因素。過厚的金屬間化合物層的存在會導致焊點斷裂、韌性和抗低周疲勞能力下降，從而導致焊點的可靠性降低。以當前最為成熟的Sn-Ag系無鉛焊料為例，由于熔點更高，相應的再流焊溫度也將提高，加之無鉛焊料中Sn含量都比Sn-Pb焊料高，這兩者都增大了焊點和基體間界面上形成金屬問化合物的速率，導致焊點提前失效。

　　另外，由于無鉛焊料和傳統(tǒng)Sn-Pb焊料成分不同，因而它們和焊盤材料，如Cu、Ni、AgPd等的反應速率及反應產物可能不同，焊點也會表現出不同的可靠性。同時焊料和助焊劑的兼容性也會對焊點的可靠性產生非常大的影響。有研究表明：焊料和助焊劑各成分之間不兼容會導致附著力減小。此外，由于熱膨脹系數不匹配，又會加快焊料周期性的疲勞失效。因此要特別注意選擇兼容性優(yōu)良的焊料和助焊劑，才能耐受住無鉛再流焊時的高溫沖擊。

　　另外，各互