00121-焊接工藝技術(shù)匯編-21- NEMI 合金組裝回流焊對(duì)PTH的影響.doc

nemi 合金組裝回流焊對(duì)pth的影響作者：john j. davignon randy reed本文討論在具備nemi較高溫合金的熱回流焊條件下，幾種環(huán)氧基多層板材的pth性能和多層板材料特性的變化。評(píng)測(cè)各種無(wú)鉛焊料合金在組裝與封裝中的應(yīng)用，是目前人們所最關(guān)心的問(wèn)題。與現(xiàn)行的sn/pb焊料回流焊溫度相比，許多新型合金具有較高的熔點(diǎn)，從而回流焊溫度也要求較高。考慮到nemi高熔點(diǎn)合金對(duì)熱回流焊的要求，本文討論幾種環(huán)氧基多層板材的pth性能和多層板材料特性的變化。 盡管試驗(yàn)用環(huán)氧基多層板在高溫下會(huì)發(fā)生變色現(xiàn)象，但其玻璃材料跳變溫度(tg)與z方向的熱膨脹系數(shù)(cte)沒(méi)有受到太大的影響。在三種板材中，二種板材達(dá)到多層剝離的時(shí)間縮短了，但并沒(méi)有達(dá)到很?chē)?yán)重的程度。標(biāo)準(zhǔn)的fr-4環(huán)氧板材和tg值高的環(huán)氧板材的pth特性明顯變差，但是ppo/環(huán)氧混合板材的pth特性卻沒(méi)有明顯變化。 無(wú)鉛焊接合金材料的發(fā)展，促使許多oem制造商和國(guó)際財(cái)團(tuán)對(duì)無(wú)鉛焊接合金材料的反作用進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估包括兩個(gè)項(xiàng)目，即滿(mǎn)足最佳焊點(diǎn)連接可靠性要求的合金成分評(píng)估項(xiàng)目和最佳表面光潔度冶煉評(píng)估項(xiàng)目。對(duì)于此類(lèi)的高溫回流焊，現(xiàn)有的fr-4環(huán)氧板材的相應(yīng)數(shù)據(jù)有限。作者所關(guān)注的是，高溫回流焊制程可能會(huì)降低環(huán)氧板材的性能。 按照95.5sn/3.8ag/0.7cu合金的要求，采用一個(gè)方法對(duì)三種環(huán)氧板材在高溫回流焊中的特性進(jìn)行評(píng)測(cè)。95.5sn/3.8ag/0.7cu合金是national electronics manufacturing initiative推薦使用的材料，故以下稱(chēng)“nemi合金”。nemi合金獲得了許多大型oem集團(tuán)的支持，它也是向完全無(wú)鉛化產(chǎn)品過(guò)渡的主要材料。該合金允許來(lái)自封裝零配件引線的少量鉛進(jìn)入焊點(diǎn)，但不破壞三相合金的低熔點(diǎn)。在其它合金的選擇中，對(duì)溫度的要求略低(低熔點(diǎn))。 測(cè)評(píng)開(kāi)始前，要選擇金屬化孔(pth)的特性和材料特性。 試驗(yàn) 本項(xiàng)目的試驗(yàn)采用0.125英寸厚、18層的多層板，其上有一些ist試驗(yàn)?zāi)K，黏著在2020 點(diǎn)、間隔為0.050英寸的bga數(shù)組上，焊盤(pán)孔徑為0.0135英寸的孔(400個(gè))。外表面為裸銅拋光。ist被測(cè)件以0.100英寸的邊長(zhǎng)、36多件包裝(multipak)的形式交付組裝。測(cè)試時(shí)，被測(cè)件應(yīng)便于取下測(cè)試。 pcb迭層結(jié)構(gòu)為：第1層為信號(hào)層預(yù)處理；第2層為信號(hào)內(nèi)核分層；第3層為接地層預(yù)處理；第4層為信號(hào)內(nèi)核分層；第5層為接地層預(yù)處理；第6層為信號(hào)內(nèi)核分層；第7層為接地層預(yù)處理；第8層為接地內(nèi)核分層；第9層為信號(hào)中點(diǎn)對(duì)稱(chēng)層。 本項(xiàng)目選用了三種多層板材進(jìn)行評(píng)測(cè)：1. 標(biāo)準(zhǔn)的fr-4環(huán)氧多層板，tg為140(dsc)；2. tg值較高的環(huán)氧多層板，tg為170(dsc)；3. 性能很好的環(huán)氧/ppo混合多層板，tg為180(dsc)。 測(cè)試基準(zhǔn)組(以b表示)是在沒(méi)有藉由加熱或模擬回流焊循環(huán)的情況下獲得的，并將作為制造基準(zhǔn)。無(wú)論是普通的sn/pb焊料還是nemi焊料，雖然所有的板材都要經(jīng)受一定程度的組裝回流焊，本文將主要探討整個(gè)回流焊溫度特性對(duì)merix提供的不規(guī)則板材的影響進(jìn)行評(píng)測(cè)。 標(biāo)準(zhǔn)回流焊組(以sr表示)，藉由使用熱風(fēng)回流焊爐進(jìn)行5次仿真63sn/37pb標(biāo)準(zhǔn)的回流焊循環(huán)而獲得。回流焊溫度曲線如圖1所示，從圖中可以看出，電路板處于183(sn/pb焊料的溶點(diǎn))以上的時(shí)間為55秒，峰值溫度為215。 nemi回流焊組(以nr表示)，藉由使用熱風(fēng)回流焊爐進(jìn)行5次仿真回流焊，結(jié)果可以改進(jìn)適用于新型nemi95.5sn/3.8ag/0.7cu合金的溫度曲線。如圖2所示為回流焊溫度曲線，從圖2可以看出，電路板處于217(95.5sn/3.8ag/0.7cu焊料的溶點(diǎn))以上的時(shí)間為69秒，峰值溫度為259。 sr和nr在回流焊之前沒(méi)有藉由預(yù)熱處理。但是，要選擇5個(gè)回流焊循環(huán)，目的是為大多數(shù)oem廠家所要求的加熱曲線建立模型并最大限度地試驗(yàn)多層板的應(yīng)力。在回流焊循環(huán)過(guò)程中，并不向焊盤(pán)孔中加焊料，以確保性能試驗(yàn)時(shí)獲得準(zhǔn)確的失效周期(cycle-to-failure)數(shù)據(jù)。 回流焊循環(huán)完成后，將板子置于ist測(cè)試儀上進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，直至測(cè)試出10%的電阻變化。失效的多層板將用做斷面顯微分析以找出失效的原因。多層板還要用perkinselmer dma和tma模式做熱性能變化的評(píng)測(cè)，即cte、tg以及多層板剝離時(shí)間分析(t-260和t-288分析)。 互連應(yīng)力測(cè)試(ist)方法 ist方法的原理是向被測(cè)件直接施加電流，從而對(duì)被測(cè)件內(nèi)部進(jìn)行加熱。電流作用在加熱回路，加熱回路在第2層和第3層及第n-1層和第n-2層之間呈菊花狀分布。通電3分鐘，將被測(cè)件從室溫加熱至150，然后切斷電源，用風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻2分鐘，將被測(cè)件冷卻到室溫。這種熱循環(huán)會(huì)引起pth孔壁以及多層板內(nèi)層互聯(lián)之間的循環(huán)應(yīng)變，從而加速了原始失效或潛在缺陷的顯現(xiàn)。以多層板開(kāi)始失效開(kāi)始計(jì)算，此時(shí)所能達(dá)到的熱循環(huán)次數(shù)作為pth性能的評(píng)測(cè)指針。 ist方法所采用的被測(cè)件要具備二條相互獨(dú)立的回路。加熱回路藉由電阻發(fā)熱的方式對(duì)被測(cè)件進(jìn)行加熱(如上所述)，并監(jiān)測(cè)層間互連的完整性(在多層板剝離或受到破壞后)和內(nèi)層的開(kāi)裂情況。感應(yīng)回路與加熱回路同時(shí)啟動(dòng)，用于監(jiān)視被測(cè)件的溫度(采用電阻測(cè)量)和pth孔壁的完整性(孔壁崩塌)。ist軟件藉由一定的算法計(jì)算被測(cè)件上電阻的溫度，精度為5。 ist被測(cè)件的制作和測(cè)試在merix分析試驗(yàn)室進(jìn)行。電阻的預(yù)選確保被測(cè)件具備可測(cè)試性，電阻選擇時(shí)，要確保在多包組件內(nèi)部以及多件包裝組件之間的電阻阻值偏差最小。 試驗(yàn)結(jié)果 表面顏色變化：采用nemi加熱曲線最明顯的結(jié)果是多層板顏色的改變。比較基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)回流焊和nemi回流焊三種情況下多層板的照片，可以發(fā)現(xiàn)，nemi被測(cè)件的顏色較深，說(shuō)明在高溫下部份環(huán)氧樹(shù)脂被氧化了，而這種氧化現(xiàn)象在標(biāo)準(zhǔn)的sn/pb回流焊中沒(méi)有出現(xiàn)。所有的多層板都出現(xiàn)了這種變色。 評(píng)估之前，人們認(rèn)為變色與ist測(cè)試結(jié)果及板材的熱特性有關(guān)。試驗(yàn)證明，這個(gè)設(shè)想是錯(cuò)誤的。 熱特性的變化：tg和cte的變化是聚合物結(jié)構(gòu)變化的最直接的表現(xiàn)。 1 tg：fr-4和ppo/環(huán)氧多層板的tg幾乎不受較高回流焊溫度的影響。只有高tg值多層板的tg發(fā)生了本質(zhì)的變化。 2cte：觀察tg溫度下z方向cte的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出較高回流焊溫度對(duì)cte的變化幾乎沒(méi)有影響。z方向cte的變化是造成pth失效的重要因素之一。加在pth上的應(yīng)力與周?chē)鄬影宓呐蛎浻兄苯拥年P(guān)系。因cte變化所產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)使孔壁處產(chǎn)生應(yīng)變，從而引起熱循環(huán)疲勞，并造成徹底失效。 3多層板剝離時(shí)間：t-260試驗(yàn)是將被測(cè)件以10/分鐘的速率從20加熱至260，并保持260的溫度直至發(fā)生明顯失效。260多層剝離時(shí)間是絕緣黏合層吸收應(yīng)力的能力表征。t-260試驗(yàn)結(jié)果表明較高的回流焊溫度對(duì)黏合強(qiáng)度有一定的影響。盡管多層剝離時(shí)間的縮短并不能意味著這種多層板不能用，但它確實(shí)說(shuō)明多層板的機(jī)械強(qiáng)度也隨之降低。造成t-260失效的因素很多，但聚合物脆化和氧化層的破壞是兩個(gè)主要原因。雖然ppo/環(huán)氧多層板的t-260值下降最大，多年的工業(yè)試驗(yàn)已經(jīng)證明，只要該值大于5分鐘，這種板材就可以接受。 t-288試驗(yàn)采用的溫度是288，288不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度，因此該溫度的多層剝離時(shí)間主要用于評(píng)估較高測(cè)試溫度下層間黏合線的應(yīng)變能力?？蛻?hù)對(duì)采用較高溫度進(jìn)行試驗(yàn)很感興趣，其特別原因在于最新的組裝回流焊溫度已接近標(biāo)準(zhǔn)的t-260溫度。高溫試驗(yàn)的問(wèn)題是環(huán)氧多層板的炭化。t-288試驗(yàn)在高tg值被測(cè)件燒焦后便停止了。 與t-260試驗(yàn)結(jié)果相比，在高溫288下，所有三組ppo/環(huán)氧混合多層板的多層剝離時(shí)間都下降了(很快嗎？) 試驗(yàn)項(xiàng)目的第一部份，是材料的熱性能評(píng)估。nemi回流焊除了造成高tg值多層板的tg值降低外，并沒(méi)有引起板材性能的顯著變化。試驗(yàn)的第二部份，是ist方法評(píng)測(cè)， nemi回流焊造成兩種板材的性能下降。 4pth性能：ist試驗(yàn)設(shè)備能夠測(cè)試出被測(cè)件中兩條獨(dú)立回路的電阻值。在加熱和冷卻時(shí)，電阻值每2秒被讀取一次。電阻值可作為失效原因的評(píng)測(cè)依據(jù)。對(duì)于原始失效和潛在缺陷尚無(wú)證據(jù)。最初50個(gè)循環(huán)中的失效可以看作潛在缺陷。最終所能達(dá)到的循環(huán)次數(shù)是衡量pth性能的依據(jù)。為明確判定回流焊循環(huán)次數(shù)和多層板失效之間的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果要與工業(yè)基準(zhǔn)相比較。fr-4的基準(zhǔn)，是在ist設(shè)備上試驗(yàn)1500塊用fr-4板材制作的被測(cè)件(105萬(wàn)個(gè)pth)，板厚0.093英寸，孔徑0.020英寸，孔間距0.050英寸。注意：本測(cè)評(píng)中采用0.125英寸厚、0.0135英寸直徑和0.050英寸間距的試驗(yàn)工具。在ist研究之前的數(shù)據(jù)表明，若采用板厚而孔小的方式，所有的性能參數(shù)都會(huì)下降。由于沒(méi)有適用于標(biāo)準(zhǔn)sn/pb回流焊的fr-4工業(yè)基準(zhǔn)和相應(yīng)的多層板，因而本試驗(yàn)所采用的工業(yè)基準(zhǔn)沒(méi)有組裝條件限定。對(duì)于ppo/環(huán)氧多層板和高tg值fr-4板，同樣也沒(méi)有工業(yè)基準(zhǔn)，為獲得可比性，只能將這些材料與fr-4板材工業(yè)基準(zhǔn)相比。 基準(zhǔn)fr-4板材的性能比沒(méi)有組裝條件限定的fr-4板材工業(yè)基準(zhǔn)高10%。與基準(zhǔn)fr-4板材相比，標(biāo)準(zhǔn)回流焊 (5次183以上熱循環(huán))將fr-4板材的性能減少了10%，nemi回流焊(5次217以上熱循環(huán))使fr-4板材的性能下降了36%。所有失效都是由孔壁開(kāi)裂造成的，沒(méi)有出現(xiàn)互連失效(多層板剝離和/或?qū)娱_(kāi)裂)。 為解決性能下降的問(wèn)題，最普遍的想法是采用高tg值的多層板。但是，下圖表明，對(duì)于nemi回流焊熱循環(huán)來(lái)說(shuō)，采用高tg值的多層板是錯(cuò)誤的。 高tg值板材比無(wú)組裝條件限定的fr-4基準(zhǔn)板材的性能要強(qiáng)240%，這是因?yàn)閠g比ist試驗(yàn)溫度(150)要高。試驗(yàn)溫度沒(méi)有提高，因而顯示出高tg板材的優(yōu)點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)回流焊(183以上5 次循環(huán))的性能與基準(zhǔn)板材的性能相同，這說(shuō)明，標(biāo)準(zhǔn)回流焊循環(huán)對(duì)pth的性能幾乎沒(méi)有影響。與高tg值板材基準(zhǔn)相比，nemi回流焊(217以上5 次循環(huán))使性能明顯下降(下降了80%)。令人感興趣的是，在nemi回流焊后高tg值fr-4多層板和fr-4多層板的性能是一樣的。所有的失效都是孔壁開(kāi)裂造成的，沒(méi)有證據(jù)表明出現(xiàn)了互連失效(多層板剝離和/或?qū)娱_(kāi)裂)。 ppo/環(huán)氧混合板材的性能比無(wú)組裝條件限定的fr-4工業(yè)基準(zhǔn)板材高50%，與基準(zhǔn)ppo/環(huán)氧板材相比，標(biāo)準(zhǔn)回流焊使ppo/環(huán)氧混合板材的性能下降26%，nemi回流焊使ppo/環(huán)氧混合板材的性能下降33%。對(duì)于兩種回流焊制程，ppo/環(huán)氧混合板材性能的下降基本相同。所有的失效都是由孔壁造成的，沒(méi)有證據(jù)表明出現(xiàn)了互連失效(多層板剝離或?qū)娱_(kāi)裂)。 f(方差)試驗(yàn)和t(均值)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的目的是找出被測(cè)件的統(tǒng)計(jì)偏差，統(tǒng)計(jì)證實(shí)：nemi回流焊循環(huán)明顯地降低了fr-4板材和高tg環(huán)氧多層板的性能(不是均勻下降)。nemi回流焊對(duì)ppo/環(huán)氧多層板則幾乎沒(méi)有影響。 金屬分析證明了ist試驗(yàn)的結(jié)果，即所有被測(cè)件的失效都是由接近板中央的孔壁開(kāi)裂造成的。圖3是被測(cè)件中觀察到的典型孔壁開(kāi)裂現(xiàn)象。正是所預(yù)料的那樣，可靠的產(chǎn)品都是由于疲勞才失效的。電阻值和顯微截面顯示，失效(多層剝離和/或?qū)娱_(kāi)裂)不是由層間互聯(lián)引起的。 結(jié)論 高溫nemi熱風(fēng)回流焊會(huì)導(dǎo)致所有三種測(cè)試板材發(fā)生變色。氮?dú)馇逑磳?duì)減輕變色的作用還不清楚。變色并不是性能降低的唯一表征。采用標(biāo)準(zhǔn)回流焊則幾乎不變色，然而標(biāo)準(zhǔn)回流焊會(huì)引起fr-4多層板的pth性能降低，ppo/環(huán)氧板材性能的降低更甚(merix已在其它ist研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了這種性能降低的現(xiàn)象)。 nemi合金回流焊的溫度除了造成高tg值多層板的tg有所下降外，對(duì)tg(tma)和z向cte(tma)值沒(méi)有影響。業(yè)界常用的笨辦法是將溫度變化5來(lái)讓tg值發(fā)生真正的漂移。t-260試驗(yàn)結(jié)果表明ppo/環(huán)氧板材的性能有一定的下降，而fr-4板材的性能變化很小。業(yè)界通常把加熱超過(guò)5分鐘性能不發(fā)生變化的板材認(rèn)為是可以接受的。有兩種純環(huán)氧板材不能承受溫度更高的t-288試驗(yàn)，它們?cè)诩訜徇^(guò)程中會(huì)燒焦。 經(jīng)驗(yàn)證，ist方法是鑒別nemi回流焊對(duì)板材性能影響的最佳方法。ist方法是根據(jù)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)測(cè)，而