無鉛轉(zhuǎn)移與過渡技術(shù)

　　對(duì)于諸如ＰＢＧＡ等潮濕敏感器件（ＭＳＤ），隨著工藝溫度的提升，元器件吸入的潮氣在高溫作用下氣化并急劇膨脹，形成很大的壓力，可能引起“爆米花”、分層、裂紋等問題。因?yàn)閴毫εc溫度的增加是指數(shù)關(guān)系，所以對(duì)于ＭＳＤ的處理需要特別注意。ＩＰＣ在標(biāo)準(zhǔn)Ｊ-ＳＴＤ-０２０與Ｊ-ＳＴＤ-０３３中［３］分別對(duì)ＭＳＤ的分級(jí)及其處理作了規(guī)范，可以作為應(yīng)用參考。此外，在使用時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意以下兩點(diǎn)：（１）峰值溫度每提高５～１０℃，潮濕敏感等級(jí)（ＭＳＬ）就下調(diào)１～２級(jí)；（２）對(duì)于開封后沒有使用完的ＭＳＤ，放回干燥箱的時(shí)間保證為暴露在空氣中時(shí)間的５倍以上才可繼續(xù)使用，因?yàn)槲鼩馊菀着艢怆y。

　　此外，溫度梯度對(duì)元器件的可靠性影響同樣值得關(guān)注。較高的溫度梯度將降低元器件內(nèi)部的互連可靠性，主要是由于熱不匹配造成的封裝體與硅芯片之間的分層、裂紋等問題。在無鉛條件下，大的溫度梯度既可能出現(xiàn)在升溫階段，也可能出現(xiàn)在焊后冷卻階段。為了保障無鉛焊點(diǎn)的可靠性，對(duì)冷卻速率有一定的要求，冷卻速率太慢，一方面使得金屬間化合物（ＩＭＣ）增長(zhǎng)太厚；另一方面，結(jié)晶組織粗化，以及可能出現(xiàn)板塊狀的Ａｇ３Ｓｎ，這些都將大大降低焊點(diǎn)的可靠性。因此，無鉛焊接設(shè)備都設(shè)立了強(qiáng)制冷卻區(qū)，一般情況下，冷卻速率最小要高于１.２℃／ｓ，但不要高于２５～３℃／ｓ。

　　另外，影響可靠性的主要因素是元器件的可焊性涂層，主要是指引腳涂層無鉛化所引起的錫須問題。為了保障可靠性，可以將ＥＭＳ論壇無鉛ＰＣＢ組裝關(guān)于ＲＯＨＳ符合性元器件供應(yīng)商轉(zhuǎn)移的指南，與ｉＮＥＭＩ的高可靠性無鉛組裝的元器件要求作為參考。

　　３ 無鉛對(duì)ＰＣＢ的影響與要求

　　無鉛焊接相對(duì)高的溫度給ＰＣＢ帶來一系列問題。具體而言，體現(xiàn)在以下幾個(gè)參數(shù)。

　?。?１ 玻璃轉(zhuǎn)化溫度Ｔｇ

　　在傳統(tǒng)錫鉛工藝條件下，玻璃轉(zhuǎn)化溫度Ｔｇ被認(rèn)為是最重要的參數(shù)。因?yàn)椋冢裕缫陨?，ＰＣＢ物理特性發(fā)生很大變化，特別是熱膨脹系數(shù)（ＣＴＥ）。圖１所示為常規(guī)ＰＣＢ基材ＦＲ-４、銅（Ｃｕ）以及鍍通孔隨溫度上升的熱膨脹特性圖，從圖中可以看出，在超過Ｔｇ以后， Ｚ軸的ＣＴＥ急劇上升，與Ｃｕ的熱不匹配問題大大加劇，因而期望更高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。

　?。?２ 分解溫度Ｔｄ

　　在無鉛轉(zhuǎn)移研發(fā)初期，認(rèn)為更高的Ｔｇ能夠解決無鉛的高溫問題。相關(guān)研究進(jìn)一步表明：Ｔｇ依然是非常重要的參數(shù)，但單純高的Ｔｇ不能完全解決問題，如圖２所示為Ｔｇ高達(dá)１７５℃的增強(qiáng)型ＦＲ-４在無鉛工藝條件下的分層問題。這一事實(shí)表明，還有其他同等重要的工藝參數(shù)。分解溫度（Ｔｄ）被認(rèn)為就是其中之一。當(dāng)溫度高于Ｔｄ，樹脂材料化學(xué)鍵斷裂引起不可逆的物理與化學(xué)性能的嚴(yán)重?fù)p傷，一般定義為ＰＣＢ基材重量減少５％的溫度，也有其他如重量減少２％的溫度定義為Ｔｄ。Ｃｈｒｙｓ Ｓｈｅａ等人［４］研究表明，２％的定義與無鉛情況更接近，如前述的ＦＲ-４材料按照５％的定義Ｔｄ高達(dá)３２０℃，而實(shí)際無鉛焊接溫度為２５０℃就發(fā)生嚴(yán)重問題，相差較遠(yuǎn)；如果采用２％的定義，大致在２５０～２６０℃，比較吻合。

　　其他重要的參數(shù)包括分層溫度、吸水率、持續(xù)高溫能力即在某一高溫下分層時(shí)間如２５０℃／５０ｓ以及Ｚ軸ＣＴＥ，尤其是Ｔｇ以后的ＣＴＥ。此外，從理論上講，由于無鉛焊料相對(duì)較差的潤(rùn)濕能力，必然要求活性相對(duì)較高的焊劑和相對(duì)較高的焊接溫度。這使得焊后ＰＣＢ的殘留物及其腐蝕特性加劇，影響表面絕緣電阻（ＳＩＲ），從而ＰＣＢ的電化學(xué)腐蝕（如ＣＡＦ）可能會(huì)更加突出，在惡劣環(huán)境下使用的電子產(chǎn)品（如汽車電子）等應(yīng)當(dāng)加以嚴(yán)格控制。

　　４ 無鉛實(shí)施的兼容性

　　無鉛化是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在轉(zhuǎn)移過程中會(huì)涉及到大量的兼容性問題，可以概括為材料兼容、元器件兼容、工藝兼容、設(shè)備兼容、設(shè)計(jì)兼容、質(zhì)量與可靠性兼容、操作兼容與環(huán)境兼容等八大類。在過渡階段，最普遍的兼容問題是所謂的前向與后向兼容問題，即混合組裝問題。將有鉛元器件與ＰＣＢ采用無鉛焊料進(jìn)行焊接稱為前向兼容，反之，無鉛元器件與ＰＣＢ采用錫鉛焊料焊接稱為后向兼容。

　　在前向兼容問題中，對(duì)于諸如ＱＦＰ等引腳類元器件，在焊接時(shí)將有少量的鉛引入到焊點(diǎn)中，即所謂的“鉛污染”問題。少量的鉛對(duì)焊點(diǎn)的影響與焊料合金及其含量有關(guān)，如果鉛與焊料合金沒有形成新的合金相，當(dāng)鉛在一定范圍內(nèi)時(shí)是可以接受的。但對(duì)于高可靠性產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎處理。如有關(guān)研究表明：在ＳｎＡｇＣｕＩｎ波峰焊料中引入０.５％的Ｐｂ，物理特性、熔點(diǎn)溫度、機(jī)械強(qiáng)度、適應(yīng)性方面無明顯變化，但疲勞壽命下降明顯。關(guān)于鉛引入形成第三相合金問題，最典型的是含鉍（Ｂｉ）合金，鉛與Ｂｉ形成低熔點(diǎn)合金如圖３所示，因此是不兼容的。此外，在波峰焊中，鉛污染可能引起焊點(diǎn)剝離。

　　錫鉛ＢＧＡ器件進(jìn)行無鉛焊接如圖４所示，將產(chǎn)生大量的空洞，因?yàn)殄a鉛焊球在１８３℃率先熔融，而ＳＡＣ焊膏在２１７℃才熔融，焊膏中大量的焊劑揮發(fā)物進(jìn)入焊球進(jìn)而形成大量的空洞。如果工藝設(shè)置合理，空洞情況可以控制在ＩＰＣ-７０９５限制的可接受范圍內(nèi)。反之，對(duì)于無鉛ＢＧＡ器件進(jìn)行有鉛焊接的情況，如果采用有鉛焊料的溫度曲線，有鉛焊料先熔融，而無鉛焊端（球）不能完全熔化，使元件一側(cè)的界面不能生成金屬間化合物，未能形成焊接，不能接受；在形成連接的情況下，自對(duì)中效應(yīng)很小，共面度問題突出，細(xì)間距應(yīng)用受限，一般不能接受。國(guó)際上對(duì)此做過大量的研究，如ｉＮＥＭＩ將ＳＡＣ與ＳｎＡｇ焊球的ＢＧＡ與錫鉛共晶焊料獲得相同的效果；ＪＥＩＴＡ使用ＳＡＣ３０５、ＳＡＣ１０５焊球的ＢＧＡ器件，采用２３４℃的峰值焊接溫度，１８３℃以上時(shí)間加長(zhǎng)，獲得正常結(jié)果；Ｔｅｘａｓ儀器公司采用峰值溫度２３５℃獲得與ＪＥＩＴＡ基本相同的結(jié)論，但Ｓｎ２.５Ａｇ１.０Ｂｉ０.５Ｃｕ焊球的ＢＧＡ效果很差；Ｉｎｔｅｌ公司采用２２２℃的峰值溫度同樣獲得可以接受的結(jié)果，并總結(jié)獲得成功的條件是焊球完全熔融并與共晶焊料混合。

　?。?無鉛組裝缺陷與可靠性

　　在無鉛轉(zhuǎn)移時(shí)，無鉛材料的內(nèi)在特性自然會(huì)引起相應(yīng)的無鉛組裝缺陷以及長(zhǎng)期可靠性問題［５］。下面重點(diǎn)論述錫裂、空洞與微空洞、可焊性涂層對(duì)可靠性的影響以及備受關(guān)注的錫須問題。

　?。?１ 錫裂

　　焊點(diǎn)在外力或工藝應(yīng)力等作用下，在焊錫與焊盤或焊錫中間或焊錫與元件引腳、基體之間出現(xiàn)裂紋甚至斷裂的現(xiàn)象，稱之為錫裂，如圖５所示。錫裂產(chǎn)生的主要機(jī)理是應(yīng)力。如果焊點(diǎn)發(fā)生斷裂，將直接影響其電氣性能。如果出現(xiàn)裂紋而未形成斷裂或開路，雖然在檢測(cè)時(shí)電氣性能可能未受影響，但裂紋的存在必將對(duì)產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生重大影響。

　　錫裂可以通過金相切片或染色檢測(cè)（針對(duì)ＢＧＡ）來判斷。染色檢測(cè)的目的是在Ｘ射線看不到的情況下觀測(cè)ＢＧＡ焊點(diǎn)是否有裂縫、空焊。如果是錫裂的焊點(diǎn)，拔開后斷面是凹凸不平的，并且被染色；而拔斷的是正常焊點(diǎn)，則其斷裂面是平滑光亮的，沒有被紅膠染成紅色。根據(jù)這個(gè)特征，很容易就可以區(qū)分出拔斷的是正常焊點(diǎn)或者是發(fā)生錫裂的焊點(diǎn)。

　　在無鉛條件下，錫裂問題更加嚴(yán)重，一方面是焊接溫度的提升，造成的工藝應(yīng)力加大；另一方面是無鉛焊點(diǎn)的剛度比傳統(tǒng)錫鉛焊點(diǎn)的剛度高，而延展率低。因此，一旦承受外力（如在線測(cè)試、功能測(cè)試、插裝、系統(tǒng)裝配等）或工藝應(yīng)力（熱變形等）時(shí)，無鉛焊點(diǎn)由于高剛度與低延展率將應(yīng)力直接轉(zhuǎn)移到最薄弱或應(yīng)力集中的環(huán)節(jié)，造成裂紋。圖６是無鉛錫裂及其成形機(jī)理。

　　５.２ 空洞與微空洞

　　在ＳＭＴ焊點(diǎn)中，存在各種形式的空洞，這里重點(diǎn)介紹包括在焊點(diǎn)中的空洞、微空洞以及柯肯達(dá)爾（ｋｉｒｋｅｎｄａｌｌ）空洞。無鉛焊接焊點(diǎn)中更多的空洞已經(jīng)成為業(yè)界的共識(shí)，但只要優(yōu)化工藝參數(shù)與工藝設(shè)計(jì)，空洞的大小可以控制在接受標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)?？斩吹男纬稍蚝軓?fù)雜，包括材料、設(shè)計(jì)與工藝，其
中最關(guān)鍵的是助焊劑。助焊劑排氣以及助焊劑的揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物是形成空洞的直接原因?？斩磳?duì)可靠性的影響比較復(fù)雜，目前尚無一致性的研究結(jié)論，ｉＮＥＭＩ正在深入研究之中。

　　在ＩＭＣ界面上出現(xiàn)的比較小的空洞，常見于浸銀（ＩｍＡｇ）的ＰＣＢ，這就是微空洞，如圖７所示［６］。它與柯肯達(dá)爾空洞的區(qū)別在于微空洞存在于ＩＭＣ的上方，而柯肯達(dá)爾空洞在ＩＭＣ的下方。從成形機(jī)理來看，微空洞是在焊接過程中形成的，與浸銀鍍層的質(zhì)量緊密相關(guān)，而柯肯達(dá)爾空洞是在焊后過程中逐步形成并慢慢擴(kuò)大的，形成機(jī)理在于Ｃｕ與Ｓｎ相互擴(kuò)散的速率不一致。

　?。?３ 可焊性涂層對(duì)可靠性的影響

　　可焊性涂層包括元器件引腳與ＰＣＢ焊盤的可焊性涂層。對(duì)于元器件的可焊性涂層，轉(zhuǎn)換到無鉛之后，傳統(tǒng)的占主導(dǎo)地位的ＳｎＰｂ涂層不能應(yīng)用。從目前實(shí)際應(yīng)用情況來看，主要包括純Ｓｎ，ＳｎＢｉ，ＮｉＰｄＡｕ，ＮｉＡｕ等幾種。對(duì)于無源器件而言，以純Ｓｎ為主；對(duì)于引線框架類封裝，ＮｉＰｄＡｕ具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)；對(duì)于ＢＧＡ焊球，ＳｎＡｇＣｕ占主導(dǎo)地位；對(duì)于倒裝芯片，ＳｎＡｇ與ＳｎＣｕ最受歡迎。在可靠性影響方面，主要是純Ｓｎ的錫須問題，這在細(xì)間距應(yīng)用方面比較突出。

　　在ＰＣＢ可焊性涂層方面，替代傳統(tǒng)的熱風(fēng)整平（ＨＡＳＬ）ＳｎＰｂ包括浸銀（ＩｍＡｇ）、浸錫（ＩｍＳｎ）、ＥＮＩＧ（Ｎｉ／Ａｕ）、ＯＳＰ等。在可靠性影響方面，對(duì)于浸錫（ＩｍＳｎ）涂層，重點(diǎn)考慮錫須問題；對(duì)于浸銀（ＩｍＡｇ）涂層，考慮微空洞對(duì)可靠性的影響，一般超過４～５個(gè)５０μｍ左右大小的微空洞就不可接受，關(guān)鍵是控制浸銀工藝；對(duì)于ＥＮＩＧ涂層，重點(diǎn)考慮“黑盤”問題，關(guān)鍵是控制淀積Ａｕ與Ｎｉ的速率、厚度、均勻性、ｐＨ值控制以及磷的含量，有關(guān)技術(shù)要求可參考ＩＰＣ－４５５２（印制電路板化學(xué)鍍鎳／浸金涂層的技術(shù)條件）［７］。

　　５.４ 錫須（ｔｉｎｗｈｉｓｋｅｒ）

　　如前所述，無鉛轉(zhuǎn)移后，純Ｓｎ作為元器件引腳與ＰＣＢ可焊性涂層得到更廣泛的應(yīng)用，但在其表面可能生長(zhǎng)錫須，這是一嚴(yán)重的可靠性問題，是無鉛可靠性應(yīng)用面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。相應(yīng)地，錫須成為無鉛可靠性研究的熱點(diǎn)。錫須是在純錫表面生長(zhǎng)出來的單晶組織，與枝晶有著本質(zhì)的區(qū)別。影響錫須生成與生長(zhǎng)的可能因素包括：晶粒尺寸、晶粒大小、晶粒方向、工藝應(yīng)力、外部應(yīng)力、溫度、濕度、氫含量、有機(jī)絕緣物等。遺憾的是，但目前為止，尚未得到理想的研究結(jié)論，相當(dāng)多的理論分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相矛盾。

　　目前，經(jīng)研究基本驗(yàn)證并得到認(rèn)同的是：應(yīng)力是產(chǎn)生錫須的關(guān)鍵因素，特別是壓應(yīng)力。應(yīng)力的來源包括鍍錫過程中的工藝應(yīng)力、ＩＭＣ成形、外部施加的應(yīng)力、ＣＴＥ不匹配等。減少錫須生成的有以下可能方法：

（１）不要使用亮錫（亮錫電鍍后的殘余壓應(yīng)力大）；

（２）用晶粒尺寸較大的灰錫可減緩ｗｈｉｓｋｅｒ生長(zhǎng)速度；

（３）用較厚的灰錫鍍層（８～１０μｍ，外表面無應(yīng)力）；

（４）電鍍后２４ｈ內(nèi)退火（１５０℃ ２ｈ或１７０℃１ｈ），以減少Ｓｎ層內(nèi)應(yīng)力；

（５）電鍍后２４ｈ內(nèi)回流焊接，作用與退火相同；

（６）用Ｎｉ或Ａｇ阻擋層（０.１～２μｍ）防止Ｃｕ擴(kuò)散形成Ｃｕ６Ｓｎ５的ＩＭＣ；此外Ｎｉ層在Ｓｎ膜下產(chǎn)生張應(yīng)力可降低錫須生成；

（７）采用如ＮｉＰｄＡｕ等涂層替代純錫涂層。

　　在標(biāo)準(zhǔn)化方面，ＪＥＤＥＣ制訂了測(cè)試錫須生長(zhǎng)的規(guī)范ＪＥＳＤ２２Ａ１２１［８］，規(guī)范了錫須加速測(cè)試條件、錫須尺度測(cè)量方法、各級(jí)別電子產(chǎn)品可以接受的錫須長(zhǎng)度等。

　　６ 小結(jié)

　　本文闡述了在無鉛轉(zhuǎn)移過程中涉及的可制造性與可靠性問題，包括無鉛轉(zhuǎn)移對(duì)元器件、印制電路板與焊點(diǎn)的影響以及它們相互之間的兼容問題。重點(diǎn)論述了前向兼容與后向兼容、錫須、空洞與微空洞、可焊性涂層以及如何避免無鉛轉(zhuǎn)移中出現(xiàn)的問題。