无铅电子产品可靠性

电子产品的可靠性是指整个连接系统的，而不单指焊点，它还包括PCB、元器件。无铅焊接与Sn/Pb 焊接相比，只有短短的十几年，而研究Sn/Pb 的可靠性已经40－50 年了，很清楚地知道有哪些问题。无铅我们还不知到有哪些问题。有些问题有答案，有些还没有答案，只是刚刚提出，对于无铅可靠性的问题是工业界面临zui紧迫的问题。本文提出一些工业界面临的电子板级产品可靠性问题，供大家参考、讨论。

一、电子产品可靠性概念
  1．可靠性定义可靠性是指产品在规定的时间内，在规定的条件下，完成规定任务的概率和可能性。电子产品和系统是在一定的应用条件下、一定使用时间内发挥作用。各种产品的应用条

件各不相同，如空调主要是温湿度的影响，而冲击的变化不大；汽车电子，不仅温湿度变化很大，而且震动很大，机械冲击也很大。各种电子产品的使用寿命要求也不一样，如手机，寿命1－3 年；而汽车电子、通讯设备的寿命要求很高。所以在特定条件下，在特定时间范围内，我们希望产品的失效不能超过某一个程度，完成产品所能完成任务的概率或可能性就是产品的可靠性。可靠性是和相应的载荷、使用环境、应用周期有关。
电子产品是由各部件互连组成，其中zui重要的是PCB 组装连接，连接的失效也是一个概率问题，它设涉及到焊点、PCB、元件失效的概率。除此之外，PCB 的装配还涉及到电化学失效概率。PCB 组装连接可靠性对产品的可靠性起着至关重要的作用，称为板级产品的可靠性。它涉及的问题主要是焊点、PCB、元件以及电化学可靠性。
  2． 载荷条件可靠性是相对于一定载荷条件的概率。所以可靠性一定是指在某种载荷条件的可靠性。载荷条件是指任何条件加入系统上，使系统的性能恶化或影响可靠性的条件，都是载荷

条件。载荷是一个广义的载荷，不光只是热冲击、热循环。系统在很多情况下所受到的是机械载荷，但又并不*是机械载荷，它还包括温度、湿度、电压、电流等条件，在这些条件下，也会造成产品的失效，也是一种载荷。所以载荷要广义的理解。
机械载荷是电子产品常受到的载荷，它又分为周期性载荷和冲击性机械载荷；周期性载荷也有低周期载荷和高周期载荷之分。  低周期载荷
计算机开机、关机冷热周期性变化、汽车电子周围环境的变化都属于周期性载荷，也称热机械载荷。高低温热循环试验就是模仿实际应用中的热机械载荷，来分析焊点的失效原因。焊点产生失效的主要原因是PCB 与安装元件两者的热膨胀系数不匹配造成。例如PCB 焊盘上安装陶瓷片状电阻，两种材料的热膨胀系数分别为：陶瓷3－5ppm /℃，PCB 16－25ppm / ℃。陶瓷和PCB 材料比较硬，而焊料较软。当温度从0 度上升到100 度，PCB 以16－25 的速率膨胀，而陶瓷膨胀速率很慢，使焊点处入受拉状态；当温度从100 度下降到0 度时，相反程度发展，焊点受到周期性的剪切应力应变，当循环达到1000－6000 次时，焊点出现力学的疲劳裂纹。由于在循环次数不高的情况下发生疲劳失效，称作低周疲劳。
出现低周疲劳另一个原因是，当焊点的工作温度（以K 式温度计算）占熔点的80％－90％时，材料内部的变化处于热敏期间，温度升高以后晶粒长大，应力应变也会促使晶粒长大，焊点的机械性能下降。当晶粒粗化、软化后出现小的裂纹，周期性载荷使裂纹扩展，zui后在循环周数不高的情况下整个焊点失效。焊点在一个很残酷的应用条件下工作，如环境条件150 ℃，比较接近焊料的熔点（183 高周期载荷„℃、217℃），常发生低周疲劳失效。
电子产品除了受到低周载荷外，还会受到周期性弯曲载荷、周期性的震动等，由于没有温度的作用，都称周期性机械载荷。由于它能达到上万次循环才使产品失效，所以称高周期载荷。比如按压键盘的次数可以做到100 冲击性载荷„万次。每次都是一个疲劳过程。每次按下都没有超过它的机械强度，但按了很多次后，产品疲劳失效。
有些产品如手机意外跌落会受到载荷冲击；有些板做ITC 时，会对PCB 施加一定的力，这些力使印制板受到损坏。这些载荷是非周期性的，称作冲击载荷。
  3．电子产品失效方式

电子产品失效方式主要有裂纹、断裂、电性能失效等。在机械载荷条件下，疲劳失效以裂纹的产生和扩大方式。冲击性载荷会以脆性断裂的失效方式，应力比较集中造成，界面比较明显。电化学载荷以电迁移和晶枝的生长而失效。
二、焊点可靠性
两个主要因素影响焊点的可靠性，*焊点本身的特征；第二加载到焊点上的载荷条件。焊点的可靠性取决于焊点上所受应力的程度。
  1． 焊点本身的特征

焊料合金成分以及微观结构„焊点本身的特性与下列因素有关：焊料合金成分/微观结构、焊料与元件端头及焊盘连接、焊点的形状与大小、焊点中的空洞。
不同成分的合金材料，由于熔点的不同，所受热应力不同；表面张力不同，导致润湿性不同；热膨胀系数的不同，如焊料与引脚材料的热膨胀系数存在差异，导致焊料与界面、焊点的应力差异；这些都会影响焊点可靠性。另外，不同金属材料受电化学的影响程度会不一样，有些会很敏感，有些不敏感，对焊点可靠性也会产生影响。
使用的焊料、焊膏材料不同对于焊点机械性能的影响是不同的。常用的SnAgCu 焊料，其中Ag 的作用是：添加一定量的Ag，形成细小晶粒Ag3Sn，对合金的机械性能改善很大，添加到3.5wt ％的Ag 时，SnAg 焊料的屈服强度和拉伸强度达到zui高。但添加Ag 含量超过4％，在焊料中会生成Ag3Sn 的大板块结构（如图1），热疲劳中，裂纹会在板块和焊料的交界面形成并扩展，造成可靠性的降低。SnAg 焊料中加入Cu 不仅维持SnAg 焊料良好的合金性能，同时降低了熔点。所以推荐使用Sn3Ag0.5Cu 的焊料。
另一种波峰焊接材料SnCu（如共晶Sn0.75Cu ）系，其高温保持性能和热疲劳等可靠性比SnAg 系差，原因是SnCu 在高温下（如100℃），微细共晶组织（Sn5Cu6 微细颗粒＋Sn） 会转变成分散的Sn5Cu6 粗大组织，导致可靠性降低。添加微量的Ag、Ni，材料成分发生细微变化，但机械性能及可靠性发生很大变化。如在SnCu 合金中添加0.1% 的Ag，塑性提高50％。
合金焊料的微观结构也会影响焊点的可靠性。如锡的各向异性对热疲劳失效起着非常关键作用。无铅合金是高含锡材料，β-Sn 具有很高的各向异性性，如96.5Sn-3.g 的a/c=0.56 （见图2）。锡的各向异性特性可以用取向图像显微镜（OIM：Orientation Image Microscopy） 验证。由于相邻锡晶粒之间的取向不同，将会引起内应力，在热疲劳作用下，zui大正应力使焊点产生表面拱起，zui大剪应力使晶界滑移和分离等变形。

原文图片，详见可靠性论坛 http://www.kekaoxing.com/club/thread-13758-1-1.html
图1 .Ag 含量过多生成大板块的Ag3Sn 图2。β-Sn 的各向异性
  焊点与焊盘、元件端头界面的结合形式
在焊接过程中，焊料与元件端头、PCB 表面发生润湿、扩散等反应，形成金属间化合物界面（IMC）。界面的形态对连接的可靠性影响很大，无论是界面结合层的成分还是厚度都会有影响。由于金属间化合物比较脆，与元件端头材料、PCB 表面材料的热膨胀系数差别很大，结合层很厚情况下，容易龟裂，因此掌握界面结合层的形成及长大机理，对确保可靠性非常重要。
如果是Cu 基材（如PCB 上涂覆OSP）与SnAgCu 焊料发生反应，则界面是Sn5Cu6； SnCu3 两层结构，SnCu3 很薄，厚度小于1µm，在电镜下有时观察不到（如图3），只有Sn5Cu6 结构。金属间化合物层的生长速率取决于原子在化合物中的扩散速度和界面生成化合物的反应速度两个因素。由于SnAgCu 焊料与Cu 在时效过程中的反应较缓慢，Sn5Cu6 的金属间化合物生长缓慢，焊点能保持较高的剪切强度。

如果是Ni 基材上涂覆Au 或Sn，如ENIG 的PCB 或片式陶瓷元件的端头镀Ni/ Sn， SnAgCu 焊料与PCB、元件端头的表面发生反应，金、Sn 溶进焊料，这时的界面是Ni3Sn4 的界面；一般Ni 阻档层并不是纯Ni 层，通常为Ni-P 层。如果Ni-P 层较薄，Ni 从镀层向焊锡一侧扩散，形成Ni3Sn4，这样Ni-P 中的Ni 欠缺，P 剩余，形成富P 的Ni.层。Ni3Sn4 与富P 的Ni 层界面附近容易形成克根达耳（kirkendall ）空洞，即由于扩散速率的不同所产生的，通常情况下这种空洞不能被X-ray 检测到，可以用SEM 观察到。这些空洞附近连接强度降低，因此容易发生连接不良或性能劣化，使可靠性降低。见图4。
当无铅焊料直接与AgPd 表面反应时，也会产生形状和可靠性很差的焊点。
所以在进行焊接工艺时，首先分析焊接材料、元件端头的材料以及PCB 表面的涂覆材料，采用相关焊接工艺，得出焊接后结合层的成分和厚度，这样才能对所采用的工艺是否正确做到心中有数。
结合层的厚度，一般0.5-2.5µm 比较好，这是通常的工艺控制区域（见图5），因为要考虑返修留有一定的空间。同时也要考虑产品的使用要求不同，对结合层要求也会有所不同。比如，单面焊接的板，结合层可以稍厚，因为后道工序PCB 不再受热，结合层不会增加；而双面焊接的板，要考虑经受2 次高温后焊点的结合层满足强度要求，结合层厚度就要通过工艺参数严格控制。

原文图片，详见可靠性论坛 http://www.kekaoxing.com/club/thread-13758-1-1.html
图5.IMC 的工艺控制区图6.BGA 焊点常发生失效的部位
  焊点的形状与大小
焊点的形状与大小决定了焊点上的应力应变分布。如BGA 的焊球，应力通常集中在焊球与芯片的界面，所以失效裂纹常发生在这些地方（见图6）。焊点的高度也会影响应力分布，焊点越高应力分布越小。又如CBGA 上陶瓷载体与PCB 的CTE 不匹配造成焊球上承载高应力，CCGA 空洞„由于立柱在热膨胀时有一定的变形能力，缓解了焊点上的应力集中，可靠性能力较高。
空洞在焊点中经常见到，很容易被普通的X-ray 检测到。它产生的原因主要有以下几个方面：
*， 在回流过程中，焊膏中的助焊剂及溶剂气体本来就不容易从融化的液态焊料中跑出去，因而在焊点中形成空洞。另外，回流焊中由于助焊剂的排气作用，使气体进入焊料中，如无铅焊膏中的焊剂进入有铅BGA 焊球中，当焊料冷却时，形成焊点空洞。加之温度曲线设定不合理，锡膏中助焊剂没挥发掉，也会加重空洞的形成（）。
第二，波峰焊、回流焊、手工焊过程中，焊点中也会进入空气形成空洞。 第三，焊点固化过程中由于焊料收缩而形成空洞。 第四，PCB板和基材对空洞的形成也产生影响。 电路板的设计也是形成空洞的一个主要原因。例如，焊盘中设计过孔，在焊接的过程中，
外界的空气通过过孔进入熔溶状态的焊球，焊接完成冷却后焊球中就会留下空洞。
多层板微盲孔也会使焊点空洞增加。因为，对于没有堵孔的微盲孔，锡膏无法全部填满而存在有空气，在回流焊中空气膨胀进入锡球形成空洞。BGA 焊点中，常发现空洞机率zui多的位置是芯片载体的PCB 与ＢＧＡ之间的部分（见图7）。
焊盘的镀层不好或焊盘表面有污染都可能是在焊料与焊盘间出现空洞的原因（见图8）。由于无铅焊料的表面张力比铅锡焊料大，具有较高的聚合力，在焊点结晶时可能出现非共晶组织，在高温下更容易氧化，所以无铅焊接更容易出现气孔。是焊接中常见的问题（见图9）。

图7. BGA 发生空洞几率zui多处图8.焊料与PCB 界面的空洞图9. 无铅焊点的空洞是常见问题
空洞的大小和位置会影响焊点的可靠性。空洞在界面上，会造成局部过热，或可能增强应力和应变，因此可以减少焊点的结构完整性，降低了焊点的可靠性；然而，空洞在焊点里面，如果恰好在裂缝的顶点处，而且应力集中在空洞的周围，这些空洞不足够大来产生新的裂缝，那样就会有助于减少裂缝。
IPC7095 中对BGA 焊点上空洞的接收／拒收作了规定。标准主要考虑两点：空洞的位置及尺寸。空洞不论是存在于什么位置，是在焊料球中间、焊盘层（靠近PCB 界面）或组件层（靠近IC 界面），视空洞尺寸及数量不同都会造成质量和可靠性的影响。焊球内部允许有小尺寸的焊球存在。空洞所占空间与焊球空间的比例可以按如下方法计算：例如空洞的直径是焊球直径的５０％，那么空洞所占的面积是焊球的面积的２５％。ＩＰＣ标准规定的接收标准为：焊盘层的空洞不能大于１０％的焊球面积，也即空洞的直径不能超过３０％的焊球直径。当焊盘层空洞的面积超过焊球面积的２５％时，就视为一种缺陷，这时空洞的存在会对焊点的机械或电的可靠性造成隐患。在焊盘层空洞的面积在１０％～２５％的焊球面积时，
应着力改进工艺，消除或减少空洞。
表1 IPC7095 对BGA 焊点上空洞的规定
孔洞的位置   1 级  2 级   3 级
焊球中的空洞      
% 直径   60%   45%   30%
% 面积   36%   20%   9%
焊球与基板界面      
% 直径   50%   25%   20%
% 面积   25%   12%   4%
2． 焊点上的载荷条件     

施加到焊点上的载荷条件不同，如热机械载荷、机械冲击载荷，对焊点的可靠性影响也不同，也就是说焊点上所受应力的程度不同。
焊点在受热机械载荷时，其上的应力又由循环条件如温度高低、温差的大小以及在高温和低温停留时间的长短等决定；同时还有其它因素，如CET 热机械载荷对焊点的影响„是否匹配、元件尺寸、应力率等的影响。其中CTE、温度、器件的大小这三个主要的因素决定焊点的应力与大小。
矩形元件的焊点在热机械载荷下常发生的失效，失效位置不是在PCB 与焊料的IMC 界面，而是位于IMC 附近的焊料中（见图10）。导致热疲劳失效的各种影响因素有：蠕变/应力松弛、时效、各温度极限停留时间的长短、拉/压双向应力、锡元素的各向异性。

图10. 焊点的热机械失效在IMC 附近的焊料中图11. 蠕变疲劳失效
蠕变是热疲劳温度曲线中温度极限停留时间下，应变控制的疲劳。当材料加上净载，随着时间的变化，在一定温度条件下的变形情况，即应变控制行为。蠕变的结果是焊点出现剪切带、晶界滑移现象（见图11）。所以蠕变对焊点失效有一定的影响。
时效是焊接完成后，将焊点放在炉内一段时间，在一定温度下，焊点的结构发生变化，主要是导致金属间化合物的形成并长大（见图12、图13），使焊点强度减少。因此在热疲劳温度曲线的高温极限停留阶段是对IMC 的生长起关键作用，这对于那些需要做高低温循环测试的产品特别引起注意，尤其是高可靠性产品。在SMT 工艺中，焊接参数的设置需要足够重视，焊接温度和时间不能使产品的结合层做到上限的厚度，一旦经过高温老化，又会增加结合层的厚度，导致焊点强度减弱，使焊点失效。时效对热循环失效并不起主要的作用，因为焊点的失效裂纹主要发生在靠近金属间化合物附近的焊料中，不在金属间化合物层上。长大的金属间化合物对焊点的抗拉强度有影响，对热疲劳失效影响不大。

图11。时效前 （共晶Sn-Ag） 图12。时效后（180oC, 1400 小时）
长时间在低温极限停留，焊点表面会产生失效损伤，晶粒之间有滑移损伤，力学性能降低，强度降低很大。由于高温愈合效果，长时间在高温极限停留，焊点表面无明显损伤。实际环境温度的变化使焊点受到拉/压双向应力，这是影响焊点热机械疲劳失效的重要影响因素。