工艺技术_无铅焊接的质量和可靠性分析

无铅焊接的质量和可靠性分析前言：传统的铅使用在焊料中带来很多的好处，良好的可靠性就是其中重要的一项。例如在常用来评估焊点可靠性的抗拉强度，抗横切强度，以及疲劳寿命等特性，铅的使用都有很好的表现。在我们准备抛弃铅后，新的选择是否能够具备相同的可靠性，自然也是业界关心的主要课题。 一般来说，目前大多数的报告和宣传，都认为无铅的多数替代品，都有和含铅焊点具备同等或更好的可靠性。不过我们也同样可以看到一些研究报告中，得到的是相反的结果。尤其是在不同PCB焊盘镀层方面的研究更是如此。对与那些亲自做试验的用户，我想他们自然相信自己看到的结果。但对与那些无能力资源投入试验的大多数用户，又该如何做出选择呢？我们是选择相信供应商，相信研究所，还是相信一些形象领先的企业？我们这回就来看看无铅技术在质量方面的状况。什么是良好的可靠性？当我们谈论可靠性时，必须要有以下的元素才算完整。1 使用环境条件（温度、湿度、室内、室外等）；2 使用方式（例如长时间通电，或频繁开关通电，每天通电次数等等特性）；3 寿命期限（例如寿命期5年）；4 寿命期限内的故障率（例如5年的累积故障率为5%）。而决定产品寿命的，也有好几方面的因素。包括：1 DFR（可靠性设计，和DFM息息相关）；2 加工和返修能力；3 原料和产品的库存、包装等处理；4 正确的使用（环境和方式）。了解以上各项，有助于我们更清楚的研究和分析焊点的可靠性。也有助于我们判断其他人的研究结果是否适合于我们采用。由于以上提到的许多项，例如寿命期限、DFR、加工和返修能力等等，他人和我的企业情况都不同，所以他人所谓的可靠或不可靠未必适用于我。而他人所做的可靠性试验，其考虑条件和相应的试验过程，也未必完全符合我。这是在参考其他研究报告时用户所必须注意的。您的无铅焊接可靠性好吗？因此，在给自己的无铅可靠性水平下定义前，您必须先对以下的问题有明确的答案。 您企业的质量责任有多大？ 您有明确的质量定义吗？ 您企业自己投入的可靠性研究，以及其过程结果的科学性、可信度有多高？ 您是否选择和管理好您的供应商？ 您是否掌握和管理好DFM/DFR工作？ 您是否掌握好您的无铅工艺？只有当您对以上各项都有足够的掌握后，您才能够评估自己的无铅可靠性水平。更重要的，是您才能确保您的无铅可靠性能够提升和有所保证。举个例子说，很多试验都报告说无铅技术容易出现气孔故障。从常见无铅合金的特性上来看，无铅是较容易出现气孔。但合金特性不是唯一的因素。对气孔问题来说，更重要的因素是焊剂配方（也就是锡膏种类）、炉子性能、工艺设置/调制能力、DFM和器件焊端材料等。如果用户不掌握这些知识，则可能随意的作了一些试验后见到气孔多，就说气孔在无铅中是个问题。而实际上，气孔在无铅中，是可能比那些不懂得处理技术整合的用户，在有铅技术中控制得更好的。可靠性并非是三言两语可以说清楚的。而是一门需要很多定义、规范、认证、数据支持等等工作的科学。可靠性的依据和标准：当我们评估无铅焊点时，其可靠性的合格标准是什么？由于无铅技术是用来取代有铅技术的，一个很自然合理的评估标准，就是和传统的锡铅焊点进行比较。所以我们一般要求新的替代品，应该具有和锡铅焊点同等的可靠性，或最少很接近。所以在一般的无铅焊点可靠性分析中，我们都是和相同设计、工艺下的锡铅焊点效果进行比较。而一般使用Sn37Pb为基准的较多。也有一部分使用SnPbAg为比较基准的。经过了一段时间的发展，目前由于较多同业偏向看好SAC为无铅焊料的主流，所以不少其他无铅合金的研究上也使用SAC作为比较对象的。无铅技术的可靠性情况：经过了约15年的开发研究，我们到底对无铅技术的可靠性把握多少？可靠性不同与生产直通率，它需要一定的使用时间来给于人们较高的信心。这也就是说，必须有较长使用时间和足够使用量的情况下才能有较可靠的结论。在一项非正式的统计中，我们对业界认为无铅是否可靠得出以下的结果： 94%的报告说可靠 100%的供应商说他们有可靠的材料和方案 87%的研究院报告说还需要进一步研究而事实上，我们只有约4%的制造商有不超过5年的实际大量使用经验。这对于一些使用寿命要求较长的电子产品绝对是不够的。我们目前靠的主要是试验分析结果。而由于这些试验做法仍然存在着不少问题（请看下一节的解说），我们可以说，目前的可靠性状况，还存在着： 不够完整 不够精确 不够适用的风险所以当用户在处理这问题时，一个关键就是先前我提到的“您企业的质量责任有多大？”。这是决定你对无铅可靠性的认同态度的主要因素。责任越大，您就应该越不放心，越觉得无铅还是未必可靠。到底目前业界是如何看法的呢？就一般业界较认同的看法来说，目前我们偏向于相信以下的状况。对于使用环境较温和的产品，例如室内使用的家用电器、通讯设备、医疗设备等等（注一），我们都认为无铅技术可以满足要求。这类应用中，较多无铅技术研究中发现无铅焊点具有和含铅技术相同或更好的可靠性。但在较恶劣环境下使用的产品，例如航空设备、汽车电子、军用品等等（注二），业界则还不放心。研究结果也发现无铅有时不如含铅技术。图一的研究报告就显示了某些无铅材料的这种特性，SAC可靠性和SnPb比较上，能力会因为所承受应力或应变程度而有所不同。美国新泽西州一家研究所EPSI机构曾对无铅和有铅技术的研究程度进行了统计分析。其得出的结果是无铅的研究资料只有有铅的10%，而实际经验只有有铅技术的24%（注三）。这也向业界提供了一个信息：我们可能还做得不够！可靠性研究面对的问题：上面我提到目前无铅技术的可靠性仍然具有一定的风险。这风险来自什么地方，或是什么原因造成会有风险呢？以下是一些主要的原因。1 目前使用来判断可靠性（寿命）的常用做法是通过热循环的加速老化试验方法，通过加温减温来给焊点制造应力而使其最终断裂，并记录其寿命（一般是热循环次数），制图和进行比较来评估。而事实上，在应用中我们的条件是和试验中有所不同的。例如温度变化的不规律性、较大的蠕变混合模式等等，这都不是试验中有照顾到的。而目前我们还缺乏一套能够从试验室内的单纯模拟，按实际使用情况推算出实际寿命的方法。所以试验室内的结果，和实际应用中有可能出现较大的差别。而这种差别，在无铅新材料上我们甚至没有理论上的预计和判断，对其变化关系几乎是完全不懂；2 由于对某些理论还没有掌握，在试验中我们可能做出一些错误的模拟试验设置，结果当然就得出一些错误的信息。比如在金属须Whisker的认证试验中，有些试验采用了高温高湿老化的方法，这做法虽然能够通过加快原子迁移促使焊点的金属须增长加快，但事实上也同时会对焊点或材料产生煅烧退火的效应，从而减少金属须增长的几率。但在实际使用中，金属迁移会在室温下出现，煅烧退火的效果却不会在室温下形成，所以我们得到的试验结果可能偏好而造成错误的判断；3 如果我们研究多数的试验设计，在试验中人们很容易忽略了SMT故障形成的复杂因果关系（或许是为了简化试验而有意忽略），而只用过于简单的几项变数控制来进行试验和分析。例如有一个实际例子中，某试验在对不同PCB焊盘保护材料进行比较时，采用了众多OSP中的一种，而后认定OSP的能力不能接受，表现和他们建议的纯锡差别很大。事实上OSP不只种类多，还和其他材料一样受到供应商加工和质量控制能力的重大影响。但这些先决条件都没有在试验前进行分析控制，而作出了可能具备误导性的结论。图二可以让我们更清楚看出这类问题。我们假设用户选择的试验条件（材料配搭、工艺参数等）是图中的#1的话，那他得出的结论是OSP和ENIG不良，ENEG不稳定，ImAg最好而应该被推荐。但他如果采用了试验条件#2，他则认为所有不同的PCB处理都没有什么不同的表现。这是截然不同的两种结论！而最重要的，是用户的实际情况是什么？用户的材料、设计、工艺、设备、加工厂能力等等的技术整合结果，是处于条件中的#1？#2？还是其他的点上？这在SMT技术中是个不容易的工作，需要对各种工艺、设计、材料、设备等等都有很好掌握的人员才能处理得合理。在工作中我见过有不少的试验设计，是考虑不周的。这也说明了为什么很多报告，其结果不能吻合。4 热循环疲劳失效试验是研究可靠性中最主要的方法之一。为了缩短试验时间，一般都采用高应力，高应变的试验做法。但业界也发现，很多焊料的特性表现，在低应力、低应变的情况下显得不稳定和出现不同的结论。而实际应用上，焊点所面对的是大范围的应力和应变。但很少试验是在低应力、低应变下进行的。而这方面的高与低标准，以及他们和产品设计、应用等上的关系等等知识资料也很缺乏；5 可靠性特性的针对性相当强。比如类似“使用在BGA的可靠性好”这样的评语，事实上是不够精确的。我们发现，BGA的大小，BGA的焊端（Bump）数量也都影响可靠性结果。例如一份报告中发现，9个焊端的CSP，其可靠性就比24个焊端的小了1.5倍！而我们并没有资源对所有的不同组合（器件封装、焊料、PCB、工艺参数、设计等）进行试验分析。这就是说，我们不免有一部分（还不知道有多大的一部分？）情况完全没有把握到；6 保护各自利益影响信息的真实性。我们不难发现，业界的供应商们所发表的资料，都是说无铅可行。而一些研究院或用户的报告，则总是在结尾上提到还需要研究认证！。这在一定程度上也是受到本身利益的影响而过滤了某些信息。当然，其坏处是误导一些经验不足，资源不足的用户。基于以上的原因。我认为我们在接触无铅信息资料的同时，必须对各个资料的背景、细节等进行相当程度的分析判断。并要求收集众多的信息进行比较。而最有用的，是拥有自己本身的认证开发能力。以往有铅时代的抄用做法，在进入无铅后会可能给您带来问题。如此说来，是否所有的用户都必须大量的投入可靠性研究？这也未必。我们还得来看看风险。可靠性风险有多大：知道了存在的重重问题，知道了我们听说或见到的可靠无铅技术未必真的可靠后，那我们是否会问：“使用无铅的风险有多大？”我没有见到业界有对这问题进行分析预计的。或许这时候没有人愿意这么做。商家肯定不愿意，研究院也因为在确保质量上有很大的困难而不愿意。不过按我的经验和看法来判断的话，我觉得风险还是偏小的，风险的随机性也十分强。而且我个人觉得这风险问题无法得到很好的解决，至少在三五年内不会。我所以这么说，基于以下的几个观点。1 许多试验，虽然把握的不好，但结果很少出现足以提出报警的大问题。例如以下图三中的比较。左右两份研究的结论刚好是相反，这说明在整个过程中我们并没有对所有关键因素把握和控制到位。但即使结果不一样，测试出来的数据却显示他们都很好的满足实际回流焊接中的需要。2 单一材料的特性分析，目前的业界能力是足够的。所以那些无法事先得到较足够认证的，是个配搭问题。这配搭包括材料间、材料和工艺间的配搭。也就是说，并非每个用户都有同样遇到问题的几率。而是有较高的随机性的。这问题其实在有铅时代已经是常见的。我们不是常遇到某些批量出问题，或常听到供应商说：“我的其他客户没有这种问题！”的吗？就拿上图三的例子来说（假设两个试验是可靠的，而差异是材料供应商的差别），那使用左图中的材料在回流焊接中的客户，未必能发现其能力差。但如果是使用在波峰焊接中，则就可能是个问题了！这里的风险是需要左图的供应商，加上波峰焊接工艺才会出现的。所以不是每个用户都会遭遇到。3 无铅对与那些高质量要求的行业来说，由于豁免条例等等，目前的压力还不太大。例如航天、军用产品行业中，无铅环保并不是个必须品。也就是说无铅是否可靠并不是他们急于解决的问题。虽然这些行业可能受到供应市场的转变而受到一些影响，但这些行业对成本本身不敏感，而SMT中的有铅或无铅更是其成本中微不足道的一小部分。所以估计这方面的用户，虽然关注无铅的发展，但短期内也不会做出很严厉的要求。4 一些影响可能较大的，也就是对质量要求高，而成本上也有一些压力的，比如电信和汽车电子等。所遇到的情况是一方面可以利用豁免条例来延缓这方面的冲击；另一方面，即使法规上要求必须采用无铅，其竞争情况是一致的。加上目前大多数行业并没有一套很好的市场可靠性监控方法，而可靠性必须长时间来认证等等，所以当法规压力大于用户压力时（不只是用户没有对可靠性做出严格可行的要求。有些用户还可能对于风险毫不知情，对遵从法规的要求远远超过对可靠性方面的要求），这方面的无铅化还是会在可靠性被怀疑的情况下推进的。而在工作量和难度的压力下，不可能有太多的企业主动的去处理这方面的研究问题。无铅的焊接问题：无铅焊接的质量问题，有许多模式是和锡铅技术中一样的。因为篇幅问题，我在本文中就不多加解释。我们只看看无铅技术中较特有的问题。这些问题，一般都是因为三个因素所造成：1。高温焊接环境；2。锡Sn的特性；以及3。替代铅的其他金属或合金特性。我们先来看看高温带来的问题。首先受到影响的，是器件封装的耐热问题。在无铅技术的推荐焊接温度上（245 255），温度比起以往SnPb的最高约235高出了20度。这对以往器件只保证承受240来说，肯定是存在损坏风险的。而像BGA一类器件的使用，其本身封装在焊接中的温度就高过焊点温度。加上其较冷热特性的焊点，当满足BGA的焊接条件时，容易使到同一PCBA上的其他小热容量器件的温度高出许多，这又进一步加强了热损坏的风险。所以业界一些机构如IPC等建议所有定为无铅合格的器件，必须要能承受的起数次通过峰值温度高达260的最低要求（注四）。不过这里要提醒的，是这是器件供应商用来测试的标准。和实际应用中有一定的不同。由于实际PCBA上存在热容量及对流条件的不同，我们是可能很难同时满足焊点的焊接温度需求以及封装的耐热需求的。就如以上提到的BGA例子，当BGA底部的中间焊点达到255时，BGA的封装是很可能超过260的。对于较厚的BGA封装，标准中还允许其保证在较低的温度（如245，250，注四）。这在实际应用中可能出现问题。高温度带来的问题，还有以下各种故障： PCB变形和变色 PCB分层 PCB通孔断裂 器件吸潮破坏（例如爆米花效应） 焊剂残留物清除困难 氧化程度提高以及连带的故障（如气孔、收锡等） 立碑 焊点共面性问题（虚焊或开焊） 焊点残留的内应力以上的各种故障，其处理方法和有铅技术并没有太大的不同。主要是程度上要做得更到位，并对技术整合管理的要求更高。除了高温问题，无铅还带来了以下已经为业界发现的特有问题。焊点的剥离（Lifted Pad）：这类故障现象多出现在通孔波峰焊接工艺中，但也在回流工艺中出现过。现象是焊点和焊盘之间出现断层而剥离（图四）。这现象的主要原因是无铅合金的温度膨胀系数和基板之间出现很大差别，导致在焊点固化的时候在剥离部份有太大的应力而使他们分开。一些焊料合金的非共晶性也是造成这种现象的原因之一。所以处理这问题主要有两个主要做法，一是选择适当的焊料合金，另一是控制冷却的速度，使焊点尽快固化形成较强的结合力。除了这方法外，我们还可以通过设计来减少应力的幅度，也就是将通孔的铜环面积减小。日本有一个流行的做法，是使用SMD焊盘设计。也就是通过绿油阻焊层来限制铜环的面积。但这种做法有两个不理想的地方。一是较轻微的剥离不容易看出；二是SMD焊盘在绿油和焊盘界面的焊点形成，从寿命的角度上来看是属于不理想的（注五）。有些剥离现象出现在焊点上（图五），称为裂痕或撕裂（Tearing）。这问题如果在波峰通孔焊点上出现，在业界有些供应商认为是可以接受的。主要因为通孔的质量关键部位不在这地方。但如果出现在回流焊点上，应该算是质量隐忧问题，除非程度十分小（类似起皱纹）。铅污染问题：由于铅的加入对锡的特性影响很大，当我们把铅除去后，在焊接过程中如果有铅的出现，将会对焊点的特性和质量造成影响。很不幸的是不良的影响。这现象我们称之为铅污染。而由于从有铅到无铅的切换并非瞬时间的，所以在过渡期间我们很可能会同时存在有铅和无铅的材料（尤其是器件焊端材料）。所以我们必须了解和掌握铅对无铅焊点的影响。铅的出现或铅污染可能对焊点造成以下的两种影响：1 熔点温度的降低（程度看铅的含量而定）；2 焊点寿命的损失（这方面十分敏感）；至于在焊接性和工艺性上则影响不多。因为一般铅的成分不会很多，不足以在工艺上造成影响。铅对熔点温度的影响相当敏感，例如对常用的Sn3.5Ag焊料来说，1%的铅的出现就能使其熔点从221下降到179；而在目前建议给波峰焊接使用的Sn0.7Cu来说，1%的铅也使其熔点从227下降到183。目前发现对铅污染最敏感的是含有Bi的合金。当Pb和Bi在一起出现时，会产生熔点只有96的IMC，大大降低焊点的寿命。业界曾作过一些试验，发现含0.5%的铅（注六）会使Sn3.5Ag3Bi焊点的机械强度下降原来的60%；而其疲劳寿命也下降了32%左右（注七）。铅对不含Bi的焊点也有很大的破坏。例如在Sn1.5Ag3.1Cu合金中，0.5%的铅会使寿命减少到没有污染的43%左右。不过关键是，其他不含Bi的合金寿命一般比SnPb高出一定的程度。所以即使在受到铅污染的破坏后，其寿命仍然合格，即相当或过于SnPb焊点。比如Sn1.5Ag3.1Cu焊点在0.5%铅污染的情况下，其疲劳寿命仍然有SnPb焊点的2倍。所以一般认为，只要不含Bi，铅污染的问题不会太严重。但这里我做个提醒，未必所有可用的无铅合金都已经过认证。所以用户必须确保本身采用的焊料合金对铅污染的敏感性。和您的供应商探讨这问题是重要的。克氏空孔（Kirkendall Voids，注八）：这是一种固态金属界面间金属原子移动造成的空孔现象。由美国克肯多先生于1939年发现并以其姓氏命名。在无铅技术中，由于一般焊料的Sn含量比传统的Sn37Pb高很多，而Sn和其他金属如Au，Ag和Cu等很容易出现这种克氏空孔现象（图六）。所以在无铅中算是一种较新的故障模式。图六显示在铜焊盘和锡焊点之间存在Cu6Sn5的IMC层。而在Cu和Cu6Sn5的界面，由于Cu进入Sn的速度快，会造成一些无法填补的空孔（图中黑色部份）。这就是克氏空孔了。克氏空孔的形成速度和温度有很大的关系，温度越高增长越快。这是因为高温增加了原子活动能量的关系。所以要预防克氏空孔的危害，必须在材料和温度上着手。一般Au，Ag和Cu是最容易和Sn间出现克氏空孔的。用户必须在这方面给于小心处理。例如用于高温的焊点（注九），其界面材料选择就应该避开使用Au，Ag或Cu直接和高Sn含量的焊点接触。比如使用Ni层隔离等方法。而在工艺中，例如使用Ni/Au镀层的，就必须确保其镀层厚度和工艺参数（焊接温度和时间）配合，使Au能够完全的溶蚀并和Ni间形成IMC。这问题容易出现在较冷的BGA底部。OSP镀层由于在焊点形成后Cu和高Sn含量的焊点直接接触，所以对与高温应用并不是很理想。金属须（Whisker）问题：在含铅技术中，金属须（图六）的问题并不被大多数人重视。因为大约3%的铅能够很好的阻止金属须的生长。但其实金属须问题在含铅技术中已经存在。在航天和军用设备上已经有遭受其危害的事例。如今当我们在无铅技术中将铅去除后，绝大多数的合金都属于高Sn含量，甚至有100%Sn在器件和PCB焊盘镀层上的应用被看好的。Sn是一种较容易出现金属须的金属。所以金属须问题在无铅技术中就成了个较热门的话题和研究对象了。金属须并不需要环境条件来助长。目前业界对其原理还没有下定论，但一般较相信是因为内层Sn的应力所引起的。金属须没有固定的形状（图七），针形的一般可长到数十微米或更长（曾发现近10mm的）。也没有明确的生长时间，有数天到数年的巨大变化范围。业界目前在金属须课题上面对的问题，是还没有人真正了解其机理和控制方法。虽然经过多年的研究，人们已经整理出好些有用的经验，但却还不能确定该如何预防或控制金属须。比如亚光锡（Matte Sn）的使用，虽然是目前被推荐的主要方法之一，但业界也曾发现过在亚光锡上出现的金属须。这说明这技术还不是绝对可靠的。由于了解的不到位，目前业界也没有一套被认可试验的方法。这也增加了对其研究的困难。通过各方的研究以及业界的经验，整理出较被认可的论点可以总结如下：在影响金属须生长的因素方面有： 金属种类和合金成分 金属镀层的厚度 镀层表层的微晶结构 镀层的电镀工艺（电镀液配方和电镀参数） 库存温度（发现在10以下增长较快） Sn中的碳和有机物含量 机械应力（内部和外加）在处理或预防方法上，有用的经验有： 使用亚光锡，目前还推出据说更好的锻光锡工艺 使用较厚的Sn镀层 对已经电镀好的Sn面进行浸锡加工 在Sn中加入其他金属（例如Bi，Sb，Cu等） 在Sn的镀层和基材间加上另外一层不同金属（比如镍），改变其IMC界面的金属迁移特性 电镀后煅烧退火 三防喷涂 减少PCBA安装时的机械力（例如螺丝孔造成的扭曲力等）以上方法在一定程度上有效，但还不足于给人们完全放心。目前在这课题上的状况是“风险不算大，但随机性强，还需要不断摸索研究！”锡瘟问题：锡瘟是锡在低温下改变其微晶结构相位所造成的一种现象。锡瘟在形成时的体积增长约26%，性质很脆，称粉状，所以对焊点会造成可靠性问题。形成时出现像疙瘩状的表面（图八）。锡瘟有一定的延迟生长时间，可能达数年之久。但一旦开始形成就会快速的蔓延。锡瘟一般在低于13.2以下开始形成，约在-30几度时形成速度最快。锡瘟现象曾被发现在SnCu，SnZn，和SnAg合金中，表示无铅材料可能具有这方面的风险。Sn中的Al和Zn杂质也会助长锡瘟。在有铅技术中，锡瘟不是个关注的问题，因为Pb可以阻止锡瘟的形成。我们也发现两种较Pb还能阻止锡瘟的金属，就是Bi和Sb。少量的（0.2-0.5%）的Bi或Sb能够预防锡瘟。所以这是个推荐的方法。虽然我们对锡瘟的现象和原理已经有较好的了解。但在SMT无铅技术中，锡瘟并不是一个重点研究的对象。这可能是由于锡瘟不像金属须问题，它在电子业中并没有具体的破坏事例。在70年代，当时器件的镀层是以纯Sn为主，也就是最敏感的。但也没有报告说受到锡瘟问题的破坏。所以，锡瘟的目前状况，也是属于一个有担心但非急于解决的问题。后语：从电子业开始谈无铅技术到现在，已经有超过15个年头了。但对无铅的可靠性研究和把握的角度来评估的话，我们还只是开始入门。研究、观察经验虽然有一定的量，不过因为技术的复杂和变数众多，使我们还不敢断然说无铅已经是具备高可靠性的技术了。虽然如此，这些不确定性并不会真正影响我们的推进以及可能在明年中的较全面采用无铅技术。因为我们在小量研究和应用中，也没有看到较大的风险。无铅的目前问题较多出现在表面上，也就是加工工艺上。按一贯的做法，我们业界也许不会很深的去注意产品的寿命问题。在确保产品寿命的工作上，我们普遍的问题不只是在监督系统上缺乏，知识和能力也缺乏。另一方面，占电子业最大一部份的许多消费电子类产品，都是走向功