文摘

電子工業(yè)正向無(wú)鉛電子產(chǎn)品轉移，既為了符合政府法規，也為了通過(guò)產(chǎn)品的差異性提高市場(chǎng)份額?？紤]到含鉛電子產(chǎn)品已經(jīng)使用了40 多年，所以采用無(wú)鉛技術(shù)代表了重大的變化。無(wú)鉛電子產(chǎn)品的制造涉及利用無(wú)鉛焊料合金將無(wú)鉛元件裝配到無(wú)鉛印刷電路板上。學(xué)術(shù)界及工業(yè)界針對的關(guān)鍵問(wèn)題包括無(wú)鉛焊料合金的選擇、無(wú)鉛焊料合金的性質(zhì)特點(diǎn)及在各種應力負載條件下的性狀，無(wú)鉛制造、物流及知識產(chǎn)權問(wèn)題、無(wú)鉛裝配可靠性評價(jià)。

CALCE EPSC 一直從事于研究，使工業(yè)界能順利地轉向無(wú)鉛電子產(chǎn)品。本文綜述了CALCEEPSC 所承擔的對各種問(wèn)題的研究，包括焊點(diǎn)可靠性、金屬間生長(cháng)和元件水平可靠性問(wèn)題（如在貴金屬預鍍引線(xiàn)座元件中錫枝狀晶體析出及蠕變腐蝕）。本文還提出了為了保證無(wú)鉛電子產(chǎn)品的長(cháng)期可靠性所需要進(jìn)行的研究，并探討了正在進(jìn)行的實(shí)驗研究。

1. 引言

為了符合各項政府法規及社會(huì )問(wèn)題，電子工業(yè)正從錫-鉛產(chǎn)品向無(wú)鉛產(chǎn)品轉移。這種轉移是被產(chǎn)量大的消費電子、計算機和通訊工業(yè)所驅動(dòng)的。在名為《無(wú)鉛電子產(chǎn)品》這本書(shū)中介紹了工業(yè)的現狀、以及與無(wú)鉛電子轉移相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和商業(yè)問(wèn)題。

從定義上看，無(wú)鉛焊接組件涉及的是僅使用無(wú)鉛材料。這既適用于印刷電路板（PCB）的焊接材料（即表面安裝型的焊膏或通孔組件的波焊）也適用于元件端子及PCB 安裝貼片上的表面電鍍。Ganesan 和Pecht對無(wú)鉛焊料合金成分進(jìn)行了概述。目前，銀、銅、鉍及銻的不同組合而形成的富錫合金是無(wú)鉛焊料主要的可選材料。在這些材料中，錫-銀-銅（SAC）共晶合金（其熔點(diǎn)約217°C），似乎是一種最有前景的組成，這是基于目前工業(yè)趨勢，以及CALCE EPSC、國際錫研究所（ITRI）、國家電子制造促進(jìn)會(huì )（NEMI）和日本電子信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì )（JEITA）的推薦。
三元SAC 合金有300 多項無(wú)鉛專(zhuān)利。專(zhuān)利取決于這樣一些因素如“焊料合金組成”、“焊點(diǎn)”或“金屬間化合物”。有關(guān)無(wú)鉛合金的專(zhuān)利和知識產(chǎn)權問(wèn)題已經(jīng)在CALCE 承擔的研究中進(jìn)行了討論。

CALCE EPSC 還承擔了日本無(wú)鉛電子現狀的研究[16-17]、無(wú)鉛轉移對制造的影響研究[18-20]、無(wú)鉛陶瓷片狀電容器的斷裂研究[21-22]、無(wú)鉛焊點(diǎn)的性能研究[23-24]、無(wú)鉛小片連接的疲勞[25]。此外，CALCE 已經(jīng)進(jìn)行了各種可靠性研究，這將在下面討論。

2. 無(wú)鉛可靠性研究

可靠性是向無(wú)鉛電子產(chǎn)品轉移中關(guān)注的問(wèn)題。在利用無(wú)鉛焊料時(shí)突出的可靠性問(wèn)題是，焊點(diǎn)可靠性、金屬間生長(cháng)、預鍍引線(xiàn)座元件的蠕變腐蝕和錫枝狀晶體析出。在各種研究中已經(jīng)針對這些問(wèn)題進(jìn)行了探討，在本部分將詳細介紹。

2.1 CALCE 的焊點(diǎn)研究

下面是基于無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性文獻而得出幾個(gè)突出點(diǎn)。首先，這些研究中90%以上是利用SnAgCu（錫-銀-銅）合金進(jìn)行的。其次，已經(jīng)考慮了各種各樣的電子組裝，但大多數都是表面安裝區域布陣的元件如：球柵陣列（BGA）、晶片比例封裝（CSP）、倒焊晶片（FP）封裝、方形平裝（QFP）。結果發(fā)現，對無(wú)鉛波焊裝配的通孔元件的無(wú)鉛焊點(diǎn)長(cháng)期可靠性的研究不夠；特別是，單面電路板。第三，已經(jīng)研究了無(wú)鉛焊點(diǎn)在循環(huán)溫度條件下的熱機械耐久性，極端溫度循環(huán)范圍有。0 ~ +100°C、-40 ~ +125°C 或-55 ~ +125°C，而-40oC ~ 125oC 溫度循環(huán)是最廣泛采用的。在上述試驗條件下失效前的循環(huán)次數一般達到幾千次。另一方面，在使用壽命過(guò)程中焊點(diǎn)所經(jīng)歷的應力狀況。與含有非柔性焊點(diǎn)的無(wú)鉛陶瓷晶片組裝（熱不匹配應力大）相比，組裝（如QFP 和PBGA）中的焊點(diǎn)所經(jīng)受的應力較少（由于焊點(diǎn)的柔性和熱不匹配應力低）。CALCE 以往的研究得出結論，非柔性無(wú)鉛焊點(diǎn)（如在無(wú)鉛陶瓷晶片載體中的）的性能低于錫鉛（Sn-Pb）焊點(diǎn)[5-13]的性能。

另一方面，對于塑料QFP 和PBGA，情況正好相反（無(wú)鉛焊點(diǎn)的性能高于錫鉛焊點(diǎn)），這與工業(yè)界及學(xué)術(shù)界的幾個(gè)獨立的研究所報告的熱-機械耐久性結果是一致的。

最后，發(fā)現在振動(dòng)負載條件下失效前循環(huán)的次數大大低于溫度循環(huán)下的次數。然而，與單一負載試驗相比，組合負載條件可能更代表實(shí)際的應用環(huán)境。目前還沒(méi)有在組合負載條件（如溫度循環(huán)和振動(dòng)條件）下無(wú)鉛電子產(chǎn)品的長(cháng)期可靠性的數據。

2.2 CALCE 金屬間化合物的研究

為了產(chǎn)生可靠的焊點(diǎn)，在焊料-貼片界面上金屬間化合物（IMC）的形成是必要的。然而，生成的IMC 過(guò)多則會(huì )導致界面脆化，從而在產(chǎn)品的使用壽命期間引起焊料失效。IMC 的形成基于兩個(gè)因素：在焊接過(guò)程中焊料合金與貼片金屬間的潤濕反應；在產(chǎn)品的儲存及使用壽命期間固體狀態(tài)的老化。在潤濕反應過(guò)程中，焊料中存在的錫與貼片金屬發(fā)生化學(xué)反應形成金屬間化合物（IMC）。IMC 形成的程度取決于貼片金屬的類(lèi)型，如銅、鎳、浸銀或浸錫。在貼片金屬含有銅、浸錫和浸銀的情況下，則形成銅-錫IMC。而在浸銀的情況下，也形成銀-錫IMC。在貼片金屬含有鎳的情況下，則形成錫-銅-鎳IMC。

在固體狀態(tài)老化中，由于反應物在初始形成的IMC 上的擴散從而形成了IMC。已經(jīng)報告了由于高溫老化而使無(wú)鉛焊點(diǎn)上金屬間化合物的生成。CALCE EPSC所進(jìn)行的研究表明，在暴露于高溫老化過(guò)程中，由于反應產(chǎn)物在固態(tài)擴散，使金屬間化合物生長(cháng)。金屬間化合物的生長(cháng)是時(shí)間的平方根的函數。例如，在150oC 暴露1000 小時(shí)后，銅貼片上的SAC 焊料顯示出金屬間化合物的厚度約為7 微米。CALCE EPSC 的研究還表明，在浸銀的情況中，IMC 的生長(cháng)并不是時(shí)間的平方根的函數，這是由于銀在整體焊料中的溶解。然而，還沒(méi)有調查金屬間化合物生長(cháng)和振動(dòng)的組合影響。

2.3 CALCE 蠕變腐蝕研究

蠕變腐蝕是一個(gè)質(zhì)量遷移的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中固體腐蝕產(chǎn)物遷移到一個(gè)表面上。它已經(jīng)被確認為是一種失效機理，是電觸點(diǎn)及電接觸器的誤功能的原因。由于貴金屬預鍍引線(xiàn)座在印刷電路組裝中的應用，長(cháng)期可靠性證明是現場(chǎng)使用IC 元件的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)?；谫F金屬冶金的預鍍引線(xiàn)座如Ni/Pd/Au，是圓形帶引線(xiàn)元件的一種商業(yè)上可得到的無(wú)鉛解決方案。德克薩斯儀表公司（TI）推出鎳上鍍鈀的引線(xiàn)座技術(shù)。在塑料元件的標準封裝過(guò)程中，封裝后的“修剪和成形”過(guò)程會(huì )將引線(xiàn)座材料（通常是銅）暴露到引線(xiàn)上。被暴露的銅為腐蝕的初始形成提供了場(chǎng)地。當元件在嚴酷環(huán)境中工作時(shí)，那么腐蝕過(guò)程就從被暴露的金屬區域開(kāi)始并擴展。由于鈀是一種貴金屬，在使用環(huán)境中不發(fā)生腐蝕，所以鈀的電鍍?yōu)殂~腐蝕產(chǎn)物的移動(dòng)提供了一個(gè)表面。在這種情況下，腐蝕產(chǎn)物可以移動(dòng)到引線(xiàn)上，并逐漸遷移到封裝的模塑表面上。當相鄰引線(xiàn)上的腐蝕產(chǎn)物合并在一起時(shí)，腐蝕產(chǎn)物的導電性可導致元件的短路或信號損壞。

2.4 CALCE 錫枝狀晶體析出研究

錫枝狀晶體析出是與無(wú)鉛電子元件相關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵可靠性問(wèn)題。枝狀晶體析出是被拉伸的純錫單晶體，已經(jīng)被報告生長(cháng)到超過(guò)10mm（250 密耳）長(cháng)（典型情況為1 mm 或以下）、0.3 至10μm直徑寬（典型為1-3 μm）。枝狀晶體析出是在沒(méi)有作用的電場(chǎng)或潮濕條件下自發(fā)生長(cháng)的（與樹(shù)枝狀不同），并且與大氣壓力無(wú)關(guān)（它們在真空下生長(cháng)）。枝狀晶體析出可以是直的、彎折的、帶鉤的或分齒的，而有些被報告是中空的。它們的外表面通常是有條紋的。枝狀晶體析出可以非絲狀類(lèi)型生長(cháng)，有時(shí)被稱(chēng)為塊狀或花狀。在電鍍后不久枝狀晶體析出可能就開(kāi)始生長(cháng)了。然而，生長(cháng)的起動(dòng)也可能需要多年。枝狀晶體析出潛伏期不可預見(jiàn)的本性以及隨后的生長(cháng)，是要求長(cháng)期可靠運行的系統特別關(guān)注的問(wèn)題。枝狀晶體析出發(fā)生在許多電鍍冶金中。

CALCE EPSC 一直與工業(yè)伙伴合作共同研究錫枝狀晶體析出以及模擬枝狀晶體析出的試驗方法。這些工作的目的是為了確定錫枝狀晶體析出的加速因素，并在需要高可靠性的應用（航空、國防）中示范錫枝狀晶體析出的轉移解決方案。

3. 需要做什么?

在向無(wú)鉛轉移中，對電子組件材料清單的改變正被高產(chǎn)量的消費電子、計算機和移動(dòng)通訊工業(yè)所驅動(dòng)，在這些工業(yè)中可靠性要求是不很?chē)栏竦?，而且產(chǎn)品壽命周期少于5 年。然而，這些材料改變對長(cháng)期或20 年以上可靠性的影響卻不被了解。

在服務(wù)于要求長(cháng)期（超過(guò)5 年）可靠性的市場(chǎng)的許多產(chǎn)品中將采用無(wú)鉛電子。在許多應用中，電子產(chǎn)品將長(cháng)期暴露于嚴酷溫度（過(guò)高、過(guò)低）、濕度、大氣污染及組合的熱-機械負載條件（溫度循環(huán)+ 振動(dòng)）。因而長(cháng)期可靠性研究應綜合這些作用條件的相互影響。這些相互影響應包括（由于受高溫作用而引起的）不可接受的焊點(diǎn)上金屬間化合物生長(cháng)、（由于受濕度和大氣污染而引起的）電子組件的電-化學(xué)降解、（由于長(cháng)期暴露于低溫而引起的）錫瘟的形成、以及負載條件（振動(dòng)、溫度循環(huán)、溫度循環(huán)+ 振動(dòng)）對電子組件的影響。CALCE EPSC 已經(jīng)起動(dòng)了一項針對這些要求的研究。

3.1. 實(shí)驗的設計

設計實(shí)驗的目的是，確定無(wú)鉛電子產(chǎn)品在選擇應用環(huán)境中的長(cháng)期（超過(guò)20 年）可靠性。將分兩個(gè)階段進(jìn)行研究。第一個(gè)研究階段包括將試樣長(cháng)期儲存在高溫(150oC)、低溫(-40oC)、短期振動(dòng)、長(cháng)期高溫(135oC)/電氣偏壓高濕(85%RH)條件下。第二個(gè)研究階段包括使試樣經(jīng)受長(cháng)期溫度循環(huán)（10000 個(gè)周期），（溫度在-40oC 和125oC 之間變化），以及組合的負載條件（溫度循環(huán)+ 隨機振動(dòng)）。

長(cháng)期暴露于高溫的結果，將增加金屬間化合物在焊點(diǎn)上的生長(cháng)。由于這些化合物本質(zhì)上是脆的，所以在振動(dòng)應力條件下它們會(huì )降低焊點(diǎn)壽命。因而，金屬間化合物的生長(cháng)和振動(dòng)應力環(huán)境之間的這種相互作用在建議的實(shí)驗中將被研究。另一方面，暴露于低溫將會(huì )增強富錫無(wú)鉛焊點(diǎn)中錫瘟的形成。目前還不了解在振動(dòng)應力條件下這種現象對焊點(diǎn)壽命產(chǎn)生的影響。建議的實(shí)驗預計會(huì )對這種現象有所了解。電子產(chǎn)品長(cháng)期暴露于潮濕條件將增加電化學(xué)過(guò)程，最終導致裝置、元件或PCB中金屬化腐蝕。在無(wú)鉛組件中這種機理得到進(jìn)一步加強，由于較高的PCB 組件溫度，可能引起比鉛基組件更大的惡化（材料降解污染物遷移）。

電子產(chǎn)品含有多種類(lèi)型的元件：SMT 元件（QFP、BGA、SOIC）、無(wú)引線(xiàn)載體、無(wú)源及通孔技術(shù)元件。選擇元件的基礎是，在焊點(diǎn)的柔性上產(chǎn)生變化（例如QFP 與無(wú)引線(xiàn)陶瓷晶片載體）以及在焊點(diǎn)上產(chǎn)生熱不匹配應力（例如：塑料BGA 與陶瓷載體）。其次考慮的因素是，在元件的引線(xiàn)電鍍表面上產(chǎn)生變化。引線(xiàn)電鍍表面的改變包括電鍍無(wú)光錫、錫-銅和錫-鉍。就BGA 而言，工業(yè)似乎已經(jīng)轉向于焊球組成SnAgCu。

在PCB 組件方面，工業(yè)也已經(jīng)轉向了SnAgCu (SAC)焊膏用于SMT 元件的回流焊接、SAC或Sn0.7Cu 用于通孔元件的波焊。因而這些材料將被安裝到基于目前工藝條件的實(shí)驗裝備中。試驗板將由兩種類(lèi)型的板技術(shù)組成：表面安裝和單面通孔。表面安裝板將采用高Tg FR4 (Tg=170oC 至220oC)和聚酰亞胺制成，并且具有一個(gè)菊花鏈結構從而能夠監控電阻。板的尺寸為8 英寸X 7 英寸X 0.062 英寸。單面通孔板是由CEM-1 制成的，常用在許多電子系統包括洗衣機、干衣機。線(xiàn)路板將與選擇的封裝安裝在一起（帶有仿真硅夾模）。這些封裝都有導線(xiàn)接頭，用于連接相鄰的引線(xiàn)（而不是連接到夾模上），因而在安裝到試驗板上后，能夠對焊點(diǎn)電阻進(jìn)行監控。在應力試驗過(guò)程中，將利用商業(yè)可得到的電阻測量?jì)x對封裝的電阻進(jìn)行監測。在隨機振動(dòng)試驗中，振動(dòng)應力水平將取決于它在線(xiàn)路板的位置。這個(gè)方面需要考慮替代元件。將利用PCB 振動(dòng)應力分析來(lái)確定試驗理想的元件替代方案。這些PCB 還包含有一個(gè)結構，用于研究焊點(diǎn)的電化學(xué)降解。該結構由間隔為0.5 mm (20 密耳)的貼片組成。這個(gè)間隔代表目前工業(yè)上所用的貼片間距。在PCB 裝配中，將焊膏回流焊接到這些貼片上，產(chǎn)生焊島。在HAST 測試中，在這些島之間作用電偏壓，來(lái)模擬兩個(gè)焊點(diǎn)間電遷移的效果。經(jīng)受溫度循環(huán)的表面安裝板將在相鄰的每個(gè)元件上包含“熱斷路”特點(diǎn)，從而方便失效的元件立即被拆下。這個(gè)特點(diǎn)將通過(guò)保留失效波形而有助于失效元件的分析。

為了代表線(xiàn)路板組件實(shí)際的生產(chǎn)條件，所有組件都是在大規模生產(chǎn)廠(chǎng)中制造的。實(shí)驗包括商業(yè)可得到的PCB 貼片：浸銀、浸錫、無(wú)電NiP/Au (ENIG)和有機可焊性保護劑(OSP)。實(shí)驗模型也包括帶有目前含鉛材料和工藝的PCB 組件。實(shí)驗設計如下：

圖1：為無(wú)鉛焊接產(chǎn)品的長(cháng)期可靠性所設計的實(shí)驗

3.2. 研究的預期結果

本長(cháng)期可靠性研究的主要預期結果如下:

? 長(cháng)期暴露于高溫條件后，確定焊點(diǎn)上金屬間化合物生長(cháng)的程度，焊點(diǎn)是利用高產(chǎn)量組件工藝生產(chǎn)的，并且采用了商業(yè)元件表面電鍍和PCB 貼片表面電鍍的多種組合。

? 評價(jià)任何尚未了解的風(fēng)險，例如長(cháng)期暴露于低溫后在高錫焊點(diǎn)上錫瘟的形成。

? 確定帶有較厚的金屬間化合物以及可能的錫瘟的無(wú)鉛焊點(diǎn)的振動(dòng)疲勞壽命和失效模式。

? 確定（由于高溫無(wú)鉛焊接引起腐蝕失效的）PCB 降解所帶來(lái)的影響。

? 確定無(wú)鉛焊點(diǎn)在組合溫度循環(huán)+ 振動(dòng)條件下的壽命（與含鉛焊點(diǎn)比較），與多個(gè)相互作用因素的關(guān)系：高產(chǎn)量無(wú)鉛裝配工藝；元件類(lèi)型，元件表面電鍍，PCB 貼片表面電鍍。

? 確定在短期振動(dòng)、溫度循環(huán)及組合溫度循環(huán)+ 振動(dòng)條件下焊點(diǎn)的失效機理及模式。比較無(wú)鉛組件的長(cháng)期壽命和含鉛組件的長(cháng)期壽命。

4. 結語(yǔ)

無(wú)鉛焊點(diǎn)在單一負載條件下短期耐久性（即少于5 年），存在大量的數據。CALCE EPSC 一直努力使工業(yè)能夠平穩轉向無(wú)鉛電子。而對組合負載條件及長(cháng)期耐久性的數據相當少。在服務(wù)于要求長(cháng)期（超過(guò)5 年）可靠性的市場(chǎng)的許多產(chǎn)品中將采用無(wú)鉛電子。在許多應用中，電子產(chǎn)品將長(cháng)期暴露于嚴酷溫度（過(guò)高、過(guò)低）、濕度、大氣污染及組合的熱-機械負載條件（溫度循環(huán)+ 振動(dòng)）。因而長(cháng)期可靠性研究應綜合這些作用條件的相互影響。這些相互影響應包括（由于受高溫作用而引起的）不可接受的焊點(diǎn)上金屬間化合物生長(cháng)、（由于受濕度和大氣污染而引起的）電子組件的電-化學(xué)降解、（由于長(cháng)期暴露于低溫而引起的）錫瘟的形成、以及負載條件（振動(dòng)、溫度循環(huán)、溫度循環(huán)+ 振動(dòng)）對電子組件的影響。CALCE EPSC 已經(jīng)起動(dòng)了一項針對這些要求的研究。

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