1 引言

近幾十年來,電子電氣工業在給人類帶來方便和益處的同時也給社會帶來堆積如山的電子垃圾,電子電氣垃圾給全球生態環境造成的消極影響正越發嚴峻?為了控制電子垃圾對生態環境的污染,歐盟委員會于2003年頒布了《關于在電子電器設備中限制使用某些有害物質指令》(簡稱ROHS指令)[1],并于2006年7月1日開始實施?無鉛焊料相對更高的熔點?較低的潤濕能力與較高的彈性模量等工藝?物理?力學特征使得無鉛的可制造性與可靠性問題更加突出,尤其在目前的過渡階段,有鉛與無鉛的混合組裝引起的兼容問題尤為突出?

2 無鉛對元器件的要求與影響

無鉛焊接,對元器件提出了更高的要求,最根本的原因在于焊接溫度的提高?傳統錫鉛共晶焊料的熔點為183℃,而目前得到普遍認可與廣泛采用的錫銀銅(SAC)無鉛焊料的熔點大約為217℃,使得熱致失效(特別是熱敏感與潮濕敏感器件)大大加劇?

熱敏感器件包括光學組件?電解電容?連接器等,焊接溫度的提升雖不是很高,但可能是致命的?如某一常規電容在焊接溫度為225℃時完好無缺,但當焊接溫度升高到250℃時便出現了嚴重的翹曲問題?針對無鉛條件下元器件的耐高溫問題,IPC在最新的標準J-STD-020中[2],依據封裝體的厚度?體積制訂了相應的回流焊接峰值溫度要求,如表1所示?值得注意的是在無鉛條件下,IPC標準與日本標準基本一致?



對于諸如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?因為壓力與溫度的增加是指數關系,所以對于MSD的處理需要特別注意?IPC在標準J-STD-020與J-STD-033中[3]分別對MSD的分級及其處理作了規范,可以作為應用參考?此外,在使用時還應當注意以下兩點:(1)峰值溫度每提高5~10℃,潮濕敏感等級(MSL)就下調1~2級;(2)對于開封后沒有使用完的MSD,放回干燥箱的時間保證為暴露在空氣中時間的5倍以上才可繼續使用,因為吸氣容易排氣難?

此外,溫度梯度對元器件的可靠性影響同樣值得關注?較高的溫度梯度將降低元器件內部的互連可靠性,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在升溫階段,也可能出現在焊后冷卻階段?為了保障無鉛焊點的可靠性,對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)增長太厚;另一方面,結晶組織粗化,以及可能出現板塊狀的Ag3Sn,這些都將大大降低焊點的可靠性?因此,無鉛焊接設備都設立了強制冷卻區,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組裝關于ROHS符合性元器件供應商轉移的指南,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PCB的影響與要求

無鉛焊接相對高的溫度給PCB帶來一系列問題?具體而言,體現在以下幾個參數?

3.1 玻璃轉化溫度Tg

在傳統錫鉛工藝條件下,玻璃轉化溫度Tg被認為是最重要的參數?因為,在Tg以上,PCB物理特性發生很大變化,特別是熱膨脹系數(CTE)?圖1所示為常規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化溫度?



3.2 分解溫度Td

在無鉛轉移研發初期,認為更高的Tg能夠解決無鉛的高溫問題?相關研究進一步表明:Tg依然是非常重要的參數,但單純高的Tg不能完全解決問題,如圖2所示為Tg高達175℃的增強型FR-4在無鉛工藝條件下的分層問題?這一事實表明,還有其他同等重要的工藝參數?分解溫度(Td)被認為就是其中之一?當溫度高于Td,樹脂材料化學鍵斷裂引起不可逆的物理與化學性能的嚴重損傷,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320℃,而實際無鉛焊接溫度為250℃就發生嚴重問題,相差較遠;如果采用2%的定義,大致在250~260℃,比較吻合?



其他重要的參數包括分層溫度?吸水率?持續高溫能力即在某一高溫下分層時間如250℃/50s以及Z軸CTE,尤其是Tg以后的CTE?此外,從理論上講,由于無鉛焊料相對較差的潤濕能力,必然要求活性相對較高的焊劑和相對較高的焊接溫度?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的電化學腐蝕(如CAF)可能會更加突出,在惡劣環境下使用的電子產品(如汽車電子)等應當加以嚴格控制?

4 無鉛實施的兼容性

無鉛化是一項系統工程,在轉移過程中會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?設備兼容?設計兼容?質量與可靠性兼容?操作兼容與環境兼容等八大類?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,對于諸如QFP等引腳類元器件,在焊接時將有少量的鉛引入到焊點中,即所謂的“鉛污染”問題?少量的鉛對焊點的影響與焊料合金及其含量有關,如果鉛與焊料合金沒有形成新的合金相,當鉛在一定范圍內時是可以接受的?但對于高可靠性產品,應當謹慎處理?如有關研究表明:在SnAgCuIn波峰焊料中引入0.5%的Pb,物理特性?熔點溫度?機械強度?適應性方面無明顯變化,但疲勞壽命下降明顯?關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剝離?



錫鉛BGA器件進行無鉛焊接如圖4所示,將產生大量的空洞,因為錫鉛焊球在183℃率先熔融,而SAC焊膏在217℃才熔融,焊膏中大量的焊劑揮發物進入焊球進而形成大量的空洞?如果工藝設置合理,空洞情況可以控制在IPC-7095限制的可接受范圍內?反之,對于無鉛BGA器件進行有鉛焊接的情況,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,自對中效應很小,共面度問題突出,細間距應用受限,一般不能接受?國際上對此做過大量的研究,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℃以上時間加長,獲得正常結果;Texas儀器公司采用峰值溫度235℃獲得與JEITA基本相同的結論,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果,并總結獲得成功的條件是焊球完全熔融并與共晶焊料混合?



5 無鉛組裝缺陷與可靠性

在無鉛轉移時,無鉛材料的內在特性自然會引起相應的無鉛組裝缺陷以及長期可靠性問題[5]?下面重點論述錫裂?空洞與微空洞?可焊性涂層對可靠性的影響以及備受關注的錫須問題?

5.1 錫裂

焊點在外力或工藝應力等作用下,在焊錫與焊盤或焊錫中間或焊錫與元件引腳?基體之間出現裂紋甚至斷裂的現象,稱之為錫裂,如圖5所示?錫裂產生的主要機理是應力?如果焊點發生斷裂,將直接影響其電氣性能?如果出現裂紋而未形成斷裂或開路,雖然在檢測時電氣性能可能未受影響,但裂紋的存在必將對產品的可靠性產生重大影響?



錫裂可以通過金相切片或染色檢測(針對BGA)來判斷?染色檢測的目的是在X射線看不到的情況下觀測BGA焊點是否有裂縫?空焊?如果是錫裂的焊點,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,則其斷裂面是平滑光亮的,沒有被紅膠染成紅色?根據這個特征,很容易就可以區分出拔斷的是正常焊點或者是發生錫裂的焊點?

在無鉛條件下,錫裂問題更加嚴重,一方面是焊接溫度的提升,造成的工藝應力加大;另一方面是無鉛焊點的剛度比傳統錫鉛焊點的剛度高,而延展率低?因此,一旦承受外力(如在線測試?功能測試?插裝?系統裝配等)或工藝應力(熱變形等)時,無鉛焊點由于高剛度與低延展率將應力直接轉移到最薄弱或應力集中的環節,造成裂紋?圖6是無鉛錫裂及其成形機理?



5.2 空洞與微空洞

在SMT焊點中,存在各種形式的空洞,這里重點介紹包括在焊點中的空洞?微空洞以及柯肯達爾(kirkendall)空洞?無鉛焊接焊點中更多的空洞已經成為業界的共識,但只要優化工藝參數與工藝設計,空洞的大小可以控制在接受標準范圍內?空洞的形成原因很復雜,包括材料?設計與工藝,其
中最關鍵的是助焊劑?助焊劑排氣以及助焊劑的揮發性反應產物是形成空洞的直接原因?空洞對可靠性的影響比較復雜,目前尚無一致性的研究結論,iNEMI正在深入研究之中?

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



5.3 可焊性涂層對可靠性的影響

可焊性涂層包括元器件引腳與PCB焊盤的可焊性涂層?對于元器件的可焊性涂層,轉換到無鉛之后,傳統的占主導地位的SnPb涂層不能應用?從目前實際應用情況來看,主要包括純Sn,SnBi,NiPdAu,NiAu等幾種?對于無源器件而言,以純Sn為主;對于引線框架類封裝,NiPdAu具有較強的優勢;對于BGA焊球,SnAgCu占主導地位;對于倒裝芯片,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,這在細間距應用方面比較突出?

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

5.4 錫須(tinwhisker)

如前所述,無鉛轉移后,純Sn作為元器件引腳與PCB可焊性涂層得到更廣泛的應用,但在其表面可能生長錫須,這是一嚴重的可靠性問題,是無鉛可靠性應用面臨的嚴峻挑戰之一?相應地,錫須成為無鉛可靠性研究的熱點?錫須是在純錫表面生長出來的單晶組織,與枝晶有著本質的區別?影響錫須生成與生長的可能因素包括:晶粒尺寸?晶粒大小?晶粒方向?工藝應力?外部應力?溫度?濕度?氫含量?有機絕緣物等?遺憾的是,但目前為止,尚未得到理想的研究結論,相當多的理論分析結果與試驗結果相矛盾?

目前,經研究基本驗證并得到認同的是:應力是產生錫須的關鍵因素,特別是壓應力?應力的來源包括鍍錫過程中的工藝應力?IMC成形?外部施加的應力?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力大);

(2)用晶粒尺寸較大的灰錫可減緩whisker生長速度;

(3)用較厚的灰錫鍍層(8~10μm,外表面無應力);

(4)電鍍后24h內退火(150℃ 2h或170℃1h),以減少Sn層內應力;

(5)電鍍后24h內回流焊接,作用與退火相同;

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

(7)采用如NiPdAu等涂層替代純錫涂層?

在標準化方面,JEDEC制訂了測試錫須生長的規范JESD22A121[8],規范了錫須加速測試條件?錫須尺度測量方法?各級別電子產品可以接受的錫須長度等?

6 小結

本文闡述了在無鉛轉移過程中涉及的可制造性與可靠性問題,包括無鉛轉移對元器件?印制電路板與焊點的影響以及它們相互之間的兼容問題?重點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移中出現的問題?