电子产品可靠性培训BL20161017

1、1电子产品装联可靠性电子产品装联可靠性撰写：白浪撰写：白浪时间：时间：2016 9.22-9.232344 4、使用、使用PIHRPIHR工艺时工艺时PTHPTH通孔及通孔及PADPAD的设计要求的设计要求适合PCB厚度小于等于1.6mm的板子；焊盘最小环宽0.25mm,以便拉住熔融焊膏，不形成锡珠；元件离板间隙（Stand-off）应大于等于0.3mm；引线伸出焊盘合适的长度度0.25-0.75mm;网板最大可外扩尺寸为2.0mm;PTH孔径为引脚直径加0.1-0.2mm;与周边器件保持在2.0mm以上的安全间隙（中间不能有丝印油墨，测试点，via等）；5二、二、IMCIMC对焊点可靠性的影

2、响对焊点可靠性的影响5665SnCuCuSn正是由于 的存在，才能将元器件与PCB焊牢。显然，在焊接过程中，温度是一个关键因素，焊料首先要熔化，铺展并完全润湿被焊金属。如果温度低于190 ，即使焊料处于熔融状态也形成不了 或者说形成的 不够厚，在较低温度下形成的焊点称为冷焊，此焊点没有足够的机械强度。通常在230 250 ，1 3s时间内，便可生产锡铜合金层。初期锡铜合金的结构为 。此化合物中Cu含量约为40%。若温度进一步升高，或时间延长，化合物中的Cu含量由40%上升至66%， 会转换为56SnCu56SnCu56SnCu56SnCu56SnCuSnCu3分子式分子式形成形成位置位置颜色颜

3、色性质性质焊料润湿到Cu是立即生成Sn与Cu之间的界面白色良性，强度较高温度高，焊接时间长引起Cu与 之间灰色恶性，强度差，脆性 与 两种金属间化合物比较56SnCuSnCu356SnCuSnCu356SnCu61 1、IMCIMC的形成的形成 以SnPb焊料为例，当两种被连接的母材金属均为Cu时，要达到持久牢固的机械连接目的，就必须将焊点的温度加热到钎焊熔点以上约15度，时间为2-15s,这是钎料才有可能在焊盘和元器件引脚之间形成一种新的化学物质，而达到持久地将两者牢固地连接起来的目的。 显然金属间的化合物的形成过程与温度和时间关系密切，特别是受温度的影响更为明显。下图为化合物在生长过程中，

4、在不同温度下，金属间化合物生成厚度及其对焊点强度的影响。56SnCu72 2、焊接温度对焊点可靠性的影响、焊接温度对焊点可靠性的影响 Cu与Sn的化学亲和力很强，因此，在焊接界面上Cu和Sn间的金属化合物生长得很快，具体过程如下图所示。焊接之前焊接之前通常母材金属在焊接之前都涂覆有可焊性涂层，如Sn涂层。它们经过一段贮存期后，由于扩散作用在镀层和母材表面之间的界面上都会不同程度地生成一层 的IMC层。如图下图接触接触 当两种被连接的母材金属接触在一起时，他们之间接触界面中间上是一层Sn层，如图b所示。56SnCu8焊盘涂覆层焊盘涂覆层钎料成份钎料成份250的的T(min)合金层厚度合金层厚度机

5、械强度机械强度HASLSn63Pb3712.254104.056604.212加热结合加热结合当将两个接触的母材金属加热使Sn熔融时，由于温度作用，在两母材金属表面将发生明显的冶金反应而使两母材金属连接起来。此时在两母材表面之间的接缝中将同时存在 和 两种金属间化合物，贴近Cu表面生成的是 ，而原来中间的纯Sn层为生成的金属间化合物 取代，此时的界面构造如图c所示。金属件化合物加速生长金属件化合物加速生长按照连接的可靠性来说，图c的状态时比较理想的。若此时对结合部继续加热，Cu原子将继续快速向界面层扩散 快速生长，其结果是整个焊缝均被 填充。由于 金属间化合物是一种硬度高而脆性大的合金，如果温

6、度过高，生成的金属间化合物太厚，焊点的机械强度就会降低。研究表明，生成的金属间化合物厚度在4um以下时，对焊点强度影响不大。正常状态下，合金层厚度在2-4um之间。SnCu356SnCuSnCu3SnCu3SnCu356SnCu9据有关资料，纯Sn在265 液态下与Cu生成的金属间化合物层，一分钟就能达到1.25um的厚度，与上相反，如果温度过低，会导致焊点过冷，因此生成的金属间化合物过薄，焊点机械强度不够，形成冷焊点。熔融Sn和固体Cu反应形成的合金层的厚度和加热时间关系由上分析得知，控制好回流焊炉温曲线，严格管控焊接峰值温度及钎料回流时间对焊点强度的可靠性提升非常关键。10三、回流焊冷却速

7、率对焊点强度的影响三、回流焊冷却速率对焊点强度的影响1、 IMC层的形貌 界面粗糙的胞状层，其形状与圆柱状晶粒相似，但横截面表现为树枝晶，树枝间有大量空隙。故这种IMC层不致密，与焊料的接触面粗糙。 扇贝状界面的致密层，其形状类似胞状晶粒，但IMC层是致密的。与焊料的接触面类似与扇贝状。如下图56SnCu11然而，快速冷却速率产生致密的IMC层，缓慢的冷却速率产生稀疏的IMC层。宏观改善后溫度达到最高点240到150冷却时间减少24秒相当减少IMC生成时间24秒。微观斜率增大0.7度/秒形成快速冷卻凝固有利于形成細微的界晶颗粒形成最致密的结构从而增加合金强度。12四、日式马鞍形与欧美斜拉式温度

8、曲线的优缺点四、日式马鞍形与欧美斜拉式温度曲线的优缺点 日式马鞍形曲线，即为预热-保温-回流-冷却的温度曲线，它的特点是使待焊接的PCBA组件，在正好低于焊膏液化点以下的温度上停留一段时间，以获得一个一致的组件温度。 在升温过程中，热容量小的小型元器件比热容量大的大型元器件温度上升速度快。因此对此类PCB组件进行回流焊接时，为了使其上各元件之间有最小的温差（T）,以满足各种元器件的回流时间要求，就应该采用预热-保温-回流-冷却曲线的控制模式，如下图，增设保温的目的是为减小整个PCB组件上的温差。 日式马鞍形曲线的几个区域，如果控制不当，可能造成材料中太大应力。因此，预热升温速率应该控制在4 /

9、s,具体情况还需根据所用焊膏中的助焊剂配方来确定。TemperaturePreheatDryoutReflowcooling太高的保温温度可能损坏焊膏的性能，因为在氧化特别严重的回流区域必须保留助焊剂中有足够的活性剂。斜拉式曲线适合于PCBA组件上各元件热容量彼此比较接近，即温差（T）小的产品。在上述情况下，如果焊膏配方（助焊剂活化温度和时间）也适合于线性温度曲线的要求，那么可以采用斜拉式曲线的控制方式。斜拉式曲线的升温速率是相同的，所以这种温度曲线的优点是焊接期间PCB的材料内应力较小。与传统的日式马鞍形曲线比较，能量成本也比较低。 斜拉式曲线，也被称为线性温度曲线。该曲线是一个连续的温度斜

10、坡，从组件进入回流炉开始直到达到期望的峰值温度。如下图五五、有铅焊料与无铅元件混有铅焊料与无铅元件混用用1、有铅焊料与无铅元件混用（无引线或有引脚元件） 一般情况没有问题。因为焊端镀层非常薄，例如应用最多的镀Sn层厚度在 37m，Sn熔点为232，与Sn-37Pb合金焊接时，一般情况下峰值温度比焊接有铅元件略微高5左右即可以。但是有一点要特别警惕！镀Sn-Bi元件只能应用在无铅工艺中，不能用到有铅工艺中。这是由于有铅焊料中的Pb与Sn-Bi镀层的在引脚或焊端界面形成Sn-Pb-Bi（熔点93）的三元共晶低熔点层、容易引起焊接界面剥离、空洞等问题，导致焊接强度劣化。PS:在Sn中添加Pb、Ag、

11、Bi、Cu、Ni、Fe、Zn等金属元素可以有效抑制Sn晶须生长。目前日本、韩国的无铅元件焊端和引脚有采用Sn-Bi或Sn-Ni镀层。解决措施：解决措施：提高焊接温度到提高焊接温度到235左右左右2. 有铅焊料与无铅PBGA、CSP混用如果采用有铅焊料的温度曲线，焊点连接可靠性是最差的。这是由于有铅焊料与无铅焊球的熔点不相同，有铅焊料熔点低先熔，而无铅焊球不能完全熔化，容易造成PBGA、CSP一侧焊点失效的缘故。 183217六、六、无铅产品存在的可靠性问题无铅产品存在的可靠性问题1、高温损伤元器件、高温损伤元器件由于传统表面贴装元器件的封装材料只要能够耐240高温就能满足有铅焊料的焊接温度了，

12、而无铅焊接时对于复杂的产品焊接温度高达260，因此元器件封装能否耐高温是必须考虑的问题了。塑封元器件开裂失效的例子塑封元器件开裂失效的例子受潮器件再流焊时，在器件内部的气体膨胀使邦定点的根部“破裂” 高温损坏PCB基材PCB 龟裂、气泡、分层、层压基板结构损坏 高玻璃化转变温度高玻璃化转变温度gg是聚合物特有的性能，是决定材料性能的临界温度。在SMT焊接过程中，焊接温度远远高于PCB基板的g，造成PCB的热变形，严重时会损坏元器件。应适当选择g较高的基材陶瓷CTE ：35 ppm/ PCBCTE ：20 ppm/ 焊点CTE：18 ppm/ 要求低热膨胀系数要求低热膨胀系数CTE，当焊接温度增

13、加时，多层结构PCB的Z轴与XY方向的层压材料、玻璃纤维、以及Cu之间的CTE不匹配，将在Cu上产生很大的应力，严重时会造成金属化孔镀层断裂而失效。任何材料受热后都会膨胀，高分子材料通常高于无机材料，当膨胀应力超过材料承受限度时，会对材料产生损坏。热膨胀系数是指环境温度每升高1 单位长度的材料所伸长的长度，CTE定量描述材料受热后膨胀的程度。d是树脂的物理和化学分解温度d是指当PCB加热到其重量减少5（无铅为2 ）的温度传统的PCB的d为300无铅要求更高的d（340）相同g的PCB，由于树脂、结构的不同，它们的d也不同当焊接温度超过d，由于化学链接的断裂损坏PCB基材，造成不可逆转的降级,

14、高高PCBPCB分解温度分解温度d dTd是PCB树脂因受热发生物理和化学的分解温度。当温度超过Td时，树脂材料会由于化学链的断裂而损坏，造成不可逆的降级， Td通常定义PCB加热到一定温度，其重量减少5%时的温度。 Td可以判断PCB的耐热性。IPC-4101B中规定， 对于一般级Tg的PCB，其Td310 ,对于中等级Tg的PCB，其Td325 ，对于高等级Tg的PCB，其Td340 ，另：试验测的在玻璃转变温度以下，基板材料的热膨胀量和温度近似成线性关系，即基板材料的CTE近似常数，而一旦温度超过材料的玻璃转变温度，基板材料的热膨胀量则将随温度呈指数关系，即随温度升高，CTE按照指数增大

15、。高耐热性高耐热性二次回流PCB不变形。有铅T260/耐50s;无铅T26030min,T28815min,T3002min 峰值温度 液相时间 IMC厚度无铅：SAC305 235245 5060s 不容易控制有铅：Sn-37Pb 210230 6090s 容易控制2、IMC合金厚度不易控制，因金属间化合物比较脆，与基板材料、焊盘、元器件焊端之间的热膨胀系数差别很大，IMC过厚容易产生龟裂造成失效。 有铅焊料工艺窗口比无铅工艺窗口宽，IMC易于控制。 有铅、无铅再流焊温度曲线比较有铅、无铅再流焊温度曲线比较从Sn-Ag-Cu焊料熔融温度217到焊料凝固温度217为回流区，即流动的液相区。液相

16、区的时间要控制在5060sec以内，其峰值温度为235245。峰值区是扩散、溶解、冶金结合形成良好焊点的关键区域。设置峰值温度和液相时间要考虑IMC的厚度，峰值温度越高，IMC生长速度越快；液相时间越长， IMC越多。由于无铅焊接温度高， IMC生长速度比Sn-Pb焊接快，为了控制IMC不要太多，应尽量采用低峰值温度、峰值时间和最短的液相时间，这一点是极其重要的。针对无铅再流焊的特点及对策针对无铅再流焊的特点及对策七、七、DFM设计不合理导致产品焊接缺陷设计不合理导致产品焊接缺陷1、掩模波峰焊元件不合理导致冷焊 掩模悬着焊接元件与周围掩模保护元件距离不够，同时孤立布局，导致掩模开窗尺寸比较小，

17、焊接时受热不足，形成冷焊。 开窗时不仅要考虑遮蔽问题，同时也必须考虑受热问题，最好的解决方法就是在设计阶段就要考虑到使用掩模的问题。 （1）设计方面，插件尽可能集中布局，为掩模板开大窗设计提供先决条件。 （2）掩模板设计方面，尽量避免原理大开窗区的小开窗设计，这类开窗内的焊点受热条件很差，遮蔽效应影响也大。孤立的开窗，开窗边缘必须距离焊点12mm以上。2、细密器件的PCB阻焊设计 当表面组装元件焊盘间隙大于等于0.20mm时，推荐采用单焊盘式开开窗设计，间隙小于0.20mm时，推荐采用群焊盘式开窗设计。如下图3、较长的表贴连接器虚焊与桥连 如果连接器的长度方向与PCB弯曲的方向不一致，焊接时会

18、因PCB的弯曲变形而虚焊与桥连，如下图4、QFN器件网板开孔设计 由于QFN尺寸小，周边焊盘间距小，中间热沉焊盘大的特点，对钢网设计有其特殊要求。一般热沉焊盘的焊膏印刷区域覆盖不能超过75%，实际焊膏的面积不能超过75%，否则很容易引起QFN周边焊点虚焊。6、双排引脚、单排引脚焊盘设计，考虑到波峰焊后引脚短连的问题，增加盗锡焊盘的设计进行工艺改善。7、特定情况下采用长引线设计。 引线间距比较小（2.0mm）密脚或引线比较粗（0.7mm）时，采用了比较长的引线伸出长度设计，一般达到2.5-3.5mm,越粗伸出长度越长。这样长的引线外伸部分成多余焊料“芯吸”的芯，对消除短连缺陷非常有帮助7、阶梯网板的设计（1）阶梯网板一般有两