决定无铅焊接互连可靠性的七个因素

随着越来越多的无铅电子产品上市，可靠性问题成为许多人关注的焦点问题。与其它无铅相关问题(如合金选择、工艺窗口等)不同，在可靠性方面，我们经常会听到分歧很大的观点。一开始，我们听到许多“专家”说无铅要比锡铅更可靠。就在我们信以为真时，又有“专家”说锡铅要比无铅更可靠。我们到底应该相信哪一个呢？这要视具体情况而定。

上官东恺：随着越来越多的无铅电子产品上市，可靠性问题成为许多人关注的焦点问题。

无铅焊接互连可靠性是一个非常复杂的问题，它取决于许多因素，我们简单列举以下七个方面的因素：

1)取决于焊接合金。对于回流焊，“主流的”无铅焊接合金是Sn-Ag-Cu(SAC)，而波峰焊则可能是SAC或Sn-Cu。SAC合金和Sn-Cu合金拥有不同的可靠性性能。

2)取决于工艺条件。对于大型复杂电路板，焊接温度通常为260(C，这可能会给PCB和元器件的可靠性带来负面影响，但它对小型电路板的影响较小，因为最大回流焊温度可能会比较低。

3)取决于PCB层压材料。某些PCB (特别是大型复杂的厚电路板)根据层压材料的属性，可能会由于无铅焊接温度较高，而导致分层、层压破裂、Cu裂缝、CAF (传导阳极丝须)失效等故障率上升。它还取决于PCB表面涂层。例如，经过观察发现，焊接与Ni层(从ENIG涂层)之间的接合要比焊接与Cu (如OSP和浸银)之间的接合更易断裂，特别是在机械撞击下(如跌落测试中)。此外，在跌落测试中，无铅焊接会发生更多的PCB破裂。

4)取决于元器件。某些元器件，如塑料封装的元器件、电解电容器等，受到提高的焊接温度的影响程度要超过其它因素。其次，锡丝是使用寿命长的高端产品中精细间距的元器件更加关注的另一个可靠性问题。此外，SAC合金的高模量也会给元器件带来更大的压力，给低k介电系数的元器件带来问题，这些元器件通常会更加易失效。

5)取决于机械负荷条件。SAC合金的高应力率灵敏度要求更加注意无铅焊接界面在机械撞击下的可靠性(如跌落、弯曲等)，在高应力速率下，应力过大会导致焊接互连(和/或PCB)易断裂。

6)取决于热机械负荷条件。在热循环条件下，蠕变/疲劳交互作用会通过损伤积聚效应而导致焊点失效(即组织粗化/弱化，裂纹出现和扩大)，蠕变应力速率是一个重要因素。蠕变应力速率随着焊点上的热机械载荷幅度变化，从而SAC焊点在“相对温和”的条件下能够比Sn-Pb焊点承受更多的热循环，但在“比较严重”的条件下比Sn-Pb焊点承受更少的热循环。热机械负荷取决于温度范围、元器件尺寸及元器件和基底之间的CTE不匹配程度。

例如，有报告显示，在通过热循环测试的同一块电路板上，带有Cu引线框的元器件在SAC焊点中经受的热循环数量要高于Sn-Pb焊点，而采用42合金引线框的元器件(其PCB的CTE不匹配程度更高)在SAC合金焊点中比Sn-Pb焊点将提前发生故障。也是在同一块电路板上，0402陶瓷片状器件的焊点在SAC中通过的热循环数量要超过Sn- Pb，而2512元器件则相反。再举一个例子，许多报告称，在0℃和100℃之间热循环时，FR4上1206陶瓷电阻器的焊点在无铅焊接中发生故障的时间要晚于Sn-Pb，而在温度极限是-40℃和150℃时，这一趋势则恰好相反。

7)取决于“加速系数”。这也是一个有趣的、关系非常密切的因素，但这会使整个讨论变得复杂得多，因为不同的合金(如SAC与Sn-Pb)有不同的加速系数。因此，无铅焊接互连的可靠性取决于许多因素。这些因素错综复杂、相互影响，其详细讨论可以参见最新出版的图书《无铅焊接互连可靠性》：www.asminternational.org/leadfree

本文转译自Global SMT & Packaging

作者：上官东恺博士
伟创力公司总部技术部高级组装与环境技术高级总监