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欢乐升级怎么升等级:混合合金焊點工藝可靠性的影響因素

2019/4/27 10:14:03 671次瀏覽 混合合金 工藝

欢乐升级初学者技巧攻略 www.niegsq.com.cn 一、無鉛、有鉛混用所帶來的工藝問題

有鉛、無鉛元器件和釬料、焊膏材料的混用,除要兼顧有鉛的傳統焊接工藝問題外,還要解決無鉛釬料合金所特有的熔點高、潤濕性差等問題。當有鉛、無鉛問題交織在一起,工藝上處理該類組裝問題時,比處理純有鉛或純無鉛的問題都要棘手。例如,在采用無鉛焊膏混用情況時,要特別關注下述問題。

1 高溫對元器件的不利影響(1)CTE不匹配所造成的影響。有鉛和無鉛混用所帶來的高溫對元器件有著非常不利的影響。例如,陶瓷阻、容元件對溫度曲線的斜率(溫度的變化速率)非常敏感。由于陶瓷體與PCB的熱膨脹系數CTE相差大(陶瓷的CTE為3~5,而FR-4的CTE為17左右),因此,在焊點冷卻時容易造成元器件體和焊點裂紋。元器件開裂現象與CTE的差異、溫度、元器件的尺寸大小成正比。0201、0402、0603小元件一般很少開裂,而1206以上的大元件發生開裂失效的概率就會比較高。(2)爆米花現象將更嚴重。對潮濕敏感元器件(MSD)而言,溫度每提高10℃,其可靠性級別就將降低1級。解決措施是在滿足質量要求的前提下盡量降低再流焊接的峰值溫度,以及對潮濕敏感器件進行去潮烘烤處理。(3)高溫對PCB的不利影響。高溫容易造成PCB的熱變形,因樹脂老化變質而降低強度和絕緣電阻值。由于PCB的Z方向與XY方向的CTE不匹配,易造成金屬化孔鍍層斷裂而失效等可靠性問題。

盲孔內層被拉裂解決措施是盡量降低再流焊接的峰值溫度,一般簡單的消費類產品可以采用FR-4基材,厚板和復雜產品需要采用耐高溫的FR-5或CEMn來替代FR-4基材。有目的地盡可能降低無鉛焊接的峰值溫度,對大批量生產多種規格的不同PCB是有益的,但其值必須能滿足工藝窗口的要求。

2 電氣可靠性再流焊、波峰焊、返工形成的助焊劑殘留物,在潮濕環境和一定電壓下,導電體之間可能會發生電化學反應,引起表面絕緣電阻(SIR)的下降。如果有電遷移和枝狀結晶(如錫須等)的出現,將發生導線間的短路,造成漏電的風險。為了保證電氣可靠性,需要對不同免清洗助焊劑的性能進行評估。

3 混合組裝的返修工藝問題混合組裝的返修較為困難,因為混合組裝的返修不僅僅是有鉛工藝的傳統返修問題,而且還有無鉛返修的新問題。無鉛釬料合金潤濕性差,熔點高,工藝窗口小。因此有鉛、無鉛混用的返工需要特別關注:●選擇適當的返工設備和工具;●正確使用返工設備和工具;●正確選擇焊膏、助焊劑、釬料絲等材料;●正確設置焊接參數。

二、混合合金焊點的工藝可靠性設計

合適的PCBA組裝工藝可靠性設計,可從兩個方面來改善BGA、CSP等球柵陣列芯片焊點的可靠性,兩者結合起來可以在很大程度上提高器件的可靠性。方法如下:(1)選擇相近的熱膨脹系數材料來減少整體熱膨脹的不匹配;(2)通過控制合適的焊點高度(器件的離板高度)來增加焊接層的一致性,以此來減少整體熱膨脹的不匹配。**選擇特定范圍熱膨脹系數包括材料的選擇或多層板和元器件之間材料的組合,來得到最佳的熱膨脹系數。當多層板有較大的熱膨脹系數時,有源器件最佳的熱膨脹系數為1~3ppm/℃(與功率的耗散有關)。當然,一個PCBA組裝中有大批不同的元器件,要想實現熱膨脹系數全部最優化是不可能的。例如,對一些有密封性要求的軍事應用產品,就需選用陶瓷元器件。商用產品的多層PCB大多選用玻璃-環氧樹脂或玻璃-聚酰亞胺材料。選擇特定范圍熱膨脹系數的材料必須避免選取一些較大的元器件,如陶瓷元件(CGAs、MCMs)、引腳數為42的塑料封裝(TSOPs、SOTs)或者是與晶片采用剛性連接的塑料封裝(PBGAs)。

三、PCB焊盤及元器件引腳焊端涂敷層

1 PCB焊盤涂敷層PCB焊盤表面涂層對混合合金焊點的影響極大,在前面介紹過的可靠性試驗中及國內業界生產實踐中也得到了證實。從確保焊點的工藝可靠性并兼顧生產成本等綜合考慮,根據批產中各種涂層的實際表現,建議按選用的優先性大致可作如下排序:Im-Sn(熱熔)>OSP>ENIG Ni/Au此處應關注PCB焊盤上的純Sn涂敷層,不適合于再流焊接峰值溫度小于232℃的再流焊接,原因是:(1)Sn生成氧化物的自由能非常低,它表明Sn極易氧化,而且一旦被氧化要將其去除也是很困難的,必須使用活性較強的助焊劑才行。目前Sn37Pb焊膏的活性都較難滿足其要求。(2)純Sn的熔點為232℃,而Sn37Pb焊膏再流時的峰值溫度為205~225℃,溫度不匹配。因此,對表面為一層氧化錫層所包裹的固態Sn,活性較弱且熔點低于49℃的Sn37Pb焊膏很難將其潤濕。特別是采用“噴Sn”工藝的更甚,因為,噴Sn時的高溫導致噴Sn層表面氧化得更厲害,更難焊接。

2 元器件焊端涂敷層基于成本和涂敷層性能要求(抗氧化,耐高溫(260℃),以及能與無鉛釬料生成良好的界面合金),目前在電子業界使用較多的適合于混合組裝元器件焊端鍍層的有:鍍SnPb或鍍Sn;電鍍或HASL Sn-Cu等。

3 BGA、CSP釬料球用材料目前BGA、CSP等釬料球用的無鉛合金幾乎都是SAC(如SAC305、SAC105等)。

四、混合組裝再流焊接時應注意的事項

1.再流爐中的氣氛可以是空氣,也可以是惰性氣體,如氮氣。在無鉛焊接中,為了減弱高溫再流過程中PCB上組裝物料的氧化程度,最好使用惰性氣氛。某些板子的表面是經過處理的,如使用OSP處理的銅箔焊盤,要求在再流焊接過程中使用惰性氣氛來獲得可接受的焊點等級。

2.既然SAC無鉛釬料需要更高的再流焊接溫度,定義PCB上不同區域的溫度就十分重要。器件溫度會隨著周圍器件的不同、器件放置位置的不同、封裝密度的不同而不同。

3.為了避免塑封器件由于潮濕和熱應力而失效,最好測量一下器件本體溫度,檢查并確認溫度有沒有超過設定的最高溫度。因此,用于測量再流曲線的熱電偶,必須在再流過程中附著在不同的器件釬料連接處和本體上。大器件在引腳/釬料球處和器件模塑料間通?;嵊諧?℃的溫差。

當BGA封裝的SAC釬料球使用SnPb焊膏焊接時,基于使用的再流曲線有兩種不同的方案:① 若采用純有鉛組裝的SnPb再流溫度曲線焊接,因沒有超過BGA的SAC釬料球熔化溫度,這將影響焊點的質量和可靠性。沉淀在焊盤上的SnPb焊膏熔化了,但是SAC釬料球還尚未熔化。Pb將擴散到沒有熔化的釬料球晶粒邊界。SnPb釬料中的Pb在SAC釬料球中能擴散多高,取決于再流峰值溫度設置為多高,以及SnPb釬料多久能熔化。如圖3所示是一張截面微觀圖片,描述了SAC釬料球BGA封裝使用標準SnPb工藝焊接到PCB上,最終的焊點微觀結構是不均勻也是不穩定的。黑色/灰色互連指狀物是富鉛晶粒邊界;桿狀顆粒部分為Ag3Sn合金層,灰色顆粒為Cu6Sn5合金層。這對焊點的可靠性帶來了有害的影響。

有兩個原因使這種焊點對產品造成有害影響:●在再流焊接過程中因為釬料球沒有熔化,BGA較差的自校準效應,當器件在貼片工藝過程前后出現某種程度的對不準時,將會造成潛在開焊的缺陷,這對細間距的面陣列封裝器件而言非常重要;●球坍塌得不夠會造成焊膏和釬料球的連接減少而開焊,而且釬料球缺乏坍塌會進一步造成共面性差的問題,極少的混合還會造成顯微組織的偏析,界面鍵合的劣化、空洞增多等現象,從而導致釬料球的可靠性急劇下降。② 若采用純無鉛組裝的SAC再流溫度曲線焊接,由于SAC釬料在再流焊接時需要更高的溫度,一些體積大、對溫度敏感的BGA封裝器件可能需要小心地放置在PCB上。在靠近板子邊緣的區域,根據不同的板子尺寸、厚度和層數,一般會比中心區域高出5~15℃。大型封裝器件在更高的再流溫度下,會更易于因為潮濕和熱應力而引入缺陷。

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