無鉛焊點可靠性

1、無鉛焊點可靠性分析 單位： 姓名： 時間： 無鉛焊點可靠性分析摘 要：主要介紹了Sn-Ag-Cu合金焊接點發(fā)生失效的各種表現(xiàn)形式，探討失效發(fā)生與影響可靠性的各種原因及如保在設(shè)計及制程上進(jìn)行改進(jìn)以，改善焊點的可靠性，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。 關(guān)鍵詞：焊點；失效；質(zhì)量；可靠性前言：電子產(chǎn)品的“輕、薄、短、小”化對元器件的微型化和組裝密度提出了更高的要求。在這樣的要求下，如何保證焊點質(zhì)量是一個重要的問題。焊點作為焊接的直接結(jié)果，它的質(zhì)量與可靠性決定了電子產(chǎn)品的質(zhì)量。也就是說，在生產(chǎn)過程中，組裝的質(zhì)量最終表現(xiàn)為焊接的質(zhì)量。目前，環(huán)保問題也受到人們的廣泛關(guān)注，在電子行業(yè)中，無鉛焊料的研究取得很大進(jìn)展，在世界范圍

2、內(nèi)已開始推廣應(yīng)用，無鉛焊料與有鉛焊料相比，其潤濕性差、焊接溫度，形成的焊點外觀粗糙等不利因素。因此對其焊點品質(zhì)也是一個大家很關(guān)注的問題。中將就Sn-Ag-Cu焊料合金的焊點質(zhì)量和可靠性問題進(jìn)行探討。一、無鉛焊點的外觀評價在印刷電路板上焊點主要起兩方面作用。一是電連接，二是機械連接。良好的焊點就是應(yīng)該是在電子產(chǎn)品的使用壽命周期內(nèi)，其機械和電氣性能都不發(fā)生失效。良好的焊點外觀表現(xiàn)為：（1） 良好的潤濕；（2） 適當(dāng)?shù)暮噶?，完全覆蓋焊盤和焊接部位；（3） 焊接部件的焊點飽滿且有順暢連接的邊緣；二、壽命周期內(nèi)焊點的失效形式 產(chǎn)品在其整個壽命期間內(nèi)各個時期的故障率是不同的, 其故障率隨時間變化的曲線稱為

3、壽命的曲線, 也稱浴盆曲線（見下圖）如上圖所示，產(chǎn)品壽命的曲線總共分為三個階段早期故障期，偶然故障期，耗損故障期。1）、早期故障期：在產(chǎn)品投入使用的初期，產(chǎn)品的故障率較高，且具有迅速下降的特征。這一階段產(chǎn)品的故障主要是設(shè)計與制造中的缺陷，如設(shè)計不當(dāng)、材料缺陷、加工缺陷、安裝調(diào)整不當(dāng)?shù)?，產(chǎn)品投入使用后很容易較快暴露出來?？梢酝ㄟ^加強質(zhì)量管理及采用篩選等辦法來減少甚至消滅早期故障。2）、偶然故障期：在產(chǎn)品投入使用一段時間后，產(chǎn)品的故障率可降到一個較低的水平，且基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，可以近似認(rèn)為故障率為常數(shù)，這一階段就是偶然故障期。在這個時期產(chǎn)品的故障主要是由偶然因素引起的，偶然故障階段是產(chǎn)品的主要工作

4、期間。3）、耗損故障期：在產(chǎn)品投入使用相當(dāng)長的時間后，產(chǎn)品就會進(jìn)入耗損故障期，其特點是產(chǎn)品的故障率迅速上升，很快出現(xiàn)產(chǎn)品故障大量增加直至最后報廢。這一階段產(chǎn)品的故障主要是由老化、疲勞、磨損、腐蝕等耗損性因素引起的。通過對產(chǎn)品試驗數(shù)據(jù)分析，可以確定耗損階段的起始點，在耗損起始點到來之前停止使用，對耗損的零件、部件予于維修、，更換，可以降低產(chǎn)品的故障率，延長產(chǎn)品的使用壽命。產(chǎn)品的使用壽命與產(chǎn)品規(guī)定條件和規(guī)定的可接受的故障率有關(guān)。規(guī)定的允許故障率高，產(chǎn)品的使用壽命就長，反之，使用壽命就短。另外，并非所有產(chǎn)品的故障率曲線都可以分出明顯的三個階段。高質(zhì)量等級的電子產(chǎn)品其故障率曲線在其壽命期內(nèi)基本是一條平

5、穩(wěn)的直線。而質(zhì)量低劣的產(chǎn)品可能存在大量的早期故障或很快進(jìn)人耗損故障階段三、焊點可靠性影響因素1、設(shè)計不良 在設(shè)計上如果為充分考慮到各種嚴(yán)肅的影響而設(shè)計上存在缺陷時將導(dǎo)致焊點存在缺陷。例如當(dāng)PCB的上的焊盤，孔徑與零件腳的匹配不當(dāng)時，焊點不飽滿，存在缺陷將嚴(yán)重影響焊點質(zhì)量。2、原才不良的影響PCB 板材原材不良導(dǎo)致焊點的質(zhì)量下降。良好的焊點需充分的潤濕，PCB原才的孔壁鍍層厚度太薄、沖孔（鉆孔）質(zhì)量差，孔焊盤OSP層太薄等導(dǎo)致焊接時焊點點潤濕不良，造成缺陷，影響焊點的品質(zhì)與可靠性；板材基材為酚醛樹脂與環(huán)氧樹脂加各種增強物，在PCB生產(chǎn)過程中處理不當(dāng)時容易在儲存過程中吸水，導(dǎo)致焊接時形成錫洞、焊點

6、不飽滿等焊點缺陷，最終導(dǎo)致焊點可靠性下降。3、焊接制程中工藝參數(shù)的影響在焊接的過程中，制程工藝參數(shù)直接了焊點的形成，制程工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，容易形成有缺陷的焊點，特別是無鉛焊錫的使用對工藝提出了更高的要求。無鉛的多層板表面一般使用OSP涂層保護(hù)，在SMT階焊接過程中既要使焊接部分的OSP溶解而形成在潤濕的焊點又要使未焊接部分保留OSP保護(hù)膜保護(hù)焊盤。當(dāng)掌握不好時，往往形成有缺陷的焊點，影響了焊接質(zhì)量。而且在無鉛焊接過程中，由于焊料，助焊劑、鍍層的影響，當(dāng)掌握不好其特點，工藝參數(shù)有偏差時容易形成錫洞、連錫、未焊、冷焊等等焊接缺陷，導(dǎo)致焊點可靠性下降。4、熱應(yīng)力與熱沖擊焊接過程中快速的冷熱變化，對元

7、件造成暫時的溫度差，這使元件承受熱應(yīng)力。當(dāng)溫差過大時，導(dǎo)致元件不同材質(zhì)部分產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。應(yīng)力裂紋是影響焊點長期可靠性的不利因素。 焊料固化后，PCB還必須由1800C降低到室溫。由于PCB和元件之間的熱膨脹系數(shù)不同，有時也會產(chǎn)生焊點的微裂紋，從而影響焊點的可靠性5、金屬化合物的生產(chǎn) 在焊接過程中，熔融的釬料與焊接襯底接觸時，在界面會形成一層金屬間化合物（IMC）。其形成不但受回流焊接過程中溫度、時間的控制，而且在后期的服役過程中其厚度也會隨著時間的延長而增加。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(guān)鍵因素。在Sn-Ag與Cu基界面上存在Cu6Sn5及Cu3Sn兩種合金成分，且隨著熱

8、處理時間增加，Cu6Sn5合金層增厚，并在該處容易出現(xiàn)裂紋而導(dǎo)致焊點強度減弱，從而使焊點產(chǎn)生疲勞失效。所以過厚的金屬間化合物層會導(dǎo)致焊點斷裂韌性和抗低周疲勞能力下降，從而導(dǎo)致焊點可靠性的下降；除了在焊接時生成IMC層以外，焊料中的錫也和焊接金屬表現(xiàn)出固化反應(yīng)，甚至在室溫下，都可能發(fā)生這樣的反應(yīng)。例如。，一年后Cu Sn層的厚度會增加0.5um；通常合金化合物是硬而脆的。相比較而言有些是硬的，如Cu Sn,其它則較軟，如AuSn4, Ni Sn合金層則是中等硬度。而軟合金層將導(dǎo)致焊點破裂，特別容易發(fā)生在含金的焊料中。整個薄層合金的變化將導(dǎo)致粘附力的降低或電接觸的老化。這些都將導(dǎo)致焊點可靠性的下降

9、；在焊接金屬與合金層之間的界面處也經(jīng)常會出現(xiàn)焊接金屬的伴生物，如銅一錫合金層之間出現(xiàn)的SnO2。這些氧化物的較脆，其生成都導(dǎo)致焊點可靠性的下降。6、裝卸和移動造成的焊點失效 電子產(chǎn)品從元器件裝配、電路組裝和直到成品的運輸和使用的整個壽命周期內(nèi)，可能會承受由于機械負(fù)載引起的各種振動和沖擊,于印制板彎曲可能會給焊點和元件施加過量的應(yīng)力，較重的元件如變壓器等的晃動導(dǎo)致焊點受力使大通孔元件的焊點所受應(yīng)力很容易超過屈服極限； 7、 腐蝕免清洗型助焊劑殘留，空氣污染所致的干性化學(xué)腐蝕等。在潮濕和有偏置電壓的情況下，在焊點上容易產(chǎn)生腐蝕和離子遷移（由于電解作用，金屬析出蔓延形成樹枝狀晶體）。破壞電氣性能，使

10、產(chǎn)品失效；8、 蠕變斷裂材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于屈服強度也會慢慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。這種變形引起的斷裂稱為蠕變斷裂。不同的材料出現(xiàn)蠕變的溫度不同。一般來說，當(dāng)溫度超過材料熔點的0.3倍以上時，才出現(xiàn)較明顯的蠕變。而錫焊料在室溫下也有蠕變現(xiàn)象。 為了防止重的元件造成的蠕變破裂，建議有引線元件的焊點施加的應(yīng)力不超過0.1N/焊點。 焊點在焊接后多少會釋放一些應(yīng)力，如果焊點位于PCB的某一彎曲的位置，就會受到持久的擠壓。大尺寸IC的焊點，帶有相對較硬的引線，這樣的焊點在這種情況下會斷裂。如果焊料同發(fā)生塑性形變的引線固化在一起，就會發(fā)生蠕變斷裂，這取決于引線的硬度和塑性

11、形變量。9、焊接疲勞 焊點在整個壽命周期內(nèi)，因為 PCBA上各個組件的元件、焊料以及基板材料有著不同的熱膨脹系數(shù)。同時，周期性的溫度改變，散熱的變化以及環(huán)境溫度的改變都會引起每次溫度改機械應(yīng)力。這部分應(yīng)力由蠕變釋放出來，從而引起每次溫度改變時的塑性形變。這種累積的破壞性影響將最終導(dǎo)致焊點的疲勞斷裂，微觀變化如下圖：焊點在受熱與冷熱沖擊過程中，焊點晶粒逐漸粗大，而晶粒粗大導(dǎo)致micro-voids后焊點的電阻也將變大，導(dǎo)致該點位溫度升高，也加導(dǎo)致焊點晶粒越來越大，晶界的裂縫也逐漸增大從而導(dǎo)致焊點的斷裂！四、結(jié)論 綜上所述，影響焊點質(zhì)量的因素有很多，我們探討了在設(shè)計，原材、制造缺陷對其不良影響與在制造，運輸，使用過程中的機械負(fù)載、熱沖擊、裝卸和移動、老化等方面的影響，那么在設(shè)計與制造過程時，應(yīng)該注意一下幾點來盡量減小影響焊點質(zhì)量的不利因素，保證焊點的質(zhì)量，提高