無鉛焊點(diǎn)可靠性及驗(yàn)證試驗(yàn)

安利全，葉紫薇，鄭建明

（北京自動化控制設(shè)備研究所，北京 100074）

長期以來，電子產(chǎn)品的釬焊主要采用以錫鉛合金為主的有鉛焊接工藝。由于鉛對環(huán)境和人體的危害，國內(nèi)外對鉛材料及其制品作出了嚴(yán)格的限制，電子產(chǎn)品無鉛化成為一種必然的發(fā)展趨勢。由于器件的無鉛化，器件焊點(diǎn)的長期可靠性和壽命不再是一個影響電氣系統(tǒng)整體壽命的次要因素，當(dāng)使用國外進(jìn)口的純錫鍍層無鉛器件時，該器件焊點(diǎn)可能會在5 a 內(nèi)因錫須的生長而短路失效，2000 年發(fā)生的solidaridad 1 號衛(wèi)星事故和1998 年銀河4 號衛(wèi)星事故[1]就是該原因造成的。對無鉛器件、無鉛焊接的可靠性進(jìn)行研究非常必要，它是當(dāng)前軍用電子產(chǎn)品研制和生產(chǎn)中無法回避的關(guān)鍵技術(shù)問題。

結(jié)合目前的生產(chǎn)情況，參考在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的安捷倫、偉創(chuàng)力、旭電、華為的研究模式，討論采用有鉛焊料焊接無鉛器件形成的無鉛焊點(diǎn)的可靠性及驗(yàn)證試驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容。

1 焊點(diǎn)的可靠性

焊點(diǎn)的可靠性定義為焊點(diǎn)在規(guī)定的時間和條件下，完成規(guī)定功能而不失效的能力[2]。

1.1 影響無鉛焊點(diǎn)可靠性的因素[3]

影響無鉛焊點(diǎn)可靠性的因素主要包括：焊點(diǎn)的剪切疲勞與蠕變裂紋，電遷移，焊料與基體界面金屬間化合物形成裂紋，Sn須生長引起短路，電腐蝕和化學(xué)腐蝕等。筆者從設(shè)計、材料、工藝角度進(jìn)行闡述。

1.1.1 設(shè)計

設(shè)計包括印制板設(shè)計問題（焊盤設(shè)計不合理、元器件分布不合理等），無鉛器件鍍層選擇問題等。焊盤的鍍層材料和尺寸對器件的可靠性有很大的影響,當(dāng)器件引腳是Cu 基體鍍純Sn，對應(yīng)的焊盤最好為Cu基體鍍Pb，Sn合金；當(dāng)器件引腳為Cu基體外層鍍Ni，最外層鍍純Sn，對應(yīng)焊盤最好為Cu 基體外層鍍Ni，最外層鍍Au。SMT 元件的焊端大多采用Ni，Sn合金或純Sn鍍層，對低端產(chǎn)品以及壽命要求小于5 a的元器件一般可以選鍍純Sn器件，對于高可靠產(chǎn)品及壽命大于5 a 的產(chǎn)品應(yīng)優(yōu)選Ni，Sn 合金鍍層器件。焊盤寬度一般為芯片引線中心距的1/2,不同芯片規(guī)格的焊盤寬度設(shè)計見表1，焊盤長度不應(yīng)過長或太短，一般焊盤內(nèi)側(cè)露出的部分為焊盤寬度的1.2～2倍，焊盤外側(cè)露出的部分為焊盤寬度1.2～1.6倍。

表1 不同芯片規(guī)格的焊盤寬度設(shè)計參考尺寸Table 1 Design reference data of soldering pad width for different chip mm

1.1.2 焊接材料

傳統(tǒng)錫鉛焊料因易焊接以及物理、力學(xué)性能好等特點(diǎn)而作為連接元器件和印制板的標(biāo)準(zhǔn)材料，在軍工領(lǐng)域有整套的工藝和標(biāo)準(zhǔn)，可以保證焊點(diǎn)的長期可靠性，但無鉛焊料形成焊點(diǎn)的長期可靠性卻有待驗(yàn)證，所以軍品生產(chǎn)仍舊使用有鉛焊料。

1.1.3 工藝

焊接工藝包括兩部分，機(jī)器焊接工藝和手工焊接工藝。機(jī)器焊接工藝中，通常會遇到焊盤焊料不足、溫度曲線設(shè)置不當(dāng)?shù)葐栴}。就無鉛焊接而言，再流焊工藝溫度曲線的優(yōu)化至為重要，優(yōu)良的工藝既可保證形成高可靠性的焊接，又可保持盡可能低的峰值溫度。手工焊接工藝中，關(guān)鍵問題是焊接溫度、搪錫與否、焊接時間等的控制，手工焊的焊接參數(shù)漂移較大，人為因素占很大比重，但手工焊接在局部返修及無鉛器件使用量很少的情況下有一定優(yōu)勢，因?yàn)槠涿總€焊點(diǎn)的形成都是在焊接人員的觀察下形成的，焊點(diǎn)的質(zhì)量較好。對于無鉛元器件，焊接烙鐵頭部溫度應(yīng)在有鉛器件基礎(chǔ)上適當(dāng)提高10～20 ℃；如果不進(jìn)行預(yù)熱焊接，烙鐵頭部的溫度一般應(yīng)在預(yù)熱焊接參數(shù)上提高20～40 ℃。

1.2 焊點(diǎn)失效模式

焊點(diǎn)主要有3 種失效模式：焊接工藝引起的失效（虛焊、機(jī)械損傷、過溫應(yīng)力等）、時效引起的失效（IMC脆化）、熱循環(huán)引起的失效（熱膨脹系數(shù)失配）。

2 焊點(diǎn)的可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)的目的是要獲得失效數(shù)和最符合選定概率分布的壽命分布函數(shù)的失效數(shù)據(jù)。一旦焊點(diǎn)的壽命分布函數(shù)被可靠性試驗(yàn)估算出來，則該無鉛焊點(diǎn)的可靠度、失效率、累計失效率、平均失效率、平均失效時間等都容易確定。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計

采用正交試驗(yàn)[4]設(shè)計試驗(yàn)，以3個因素為例做正交設(shè)計，采用正交表L9（33）來安排試驗(yàn)，正交試驗(yàn)表見表2。

從表2 可以直接看出，8 號組合不合格率最低，第1 列的不合格率平均III 最低，說明310 ℃的焊接烙鐵溫度最優(yōu)；由第2 列可以看出，采用200 ℃的預(yù)熱溫度最優(yōu)；由第3 列可以看出4 s 焊接時間最優(yōu)。再由極差可見，焊接烙鐵溫度A 是影響不合格率的主要因素，其次是焊接時間C。

2.2 可靠性試驗(yàn)方法[6]

焊點(diǎn)可靠性試驗(yàn)，一方面評價、鑒定器件的可靠性水平，為整機(jī)可靠性設(shè)計提供參數(shù)；另一方面提高焊點(diǎn)的可靠性，對失效產(chǎn)品作分析，找出失效模式，分析失效原因，改進(jìn)設(shè)計、焊接工藝等。

表2 正交試驗(yàn)表[5]Table 2 Orthogonal experimental design

無鉛焊點(diǎn)可靠性試驗(yàn)方法主要有外觀檢查、X射線檢查、金相切片分析、強(qiáng)度（抗拉、剪切）、疲勞壽命、溫度循環(huán)試驗(yàn)（航天軍品一般為-40～60 ℃，特殊的有-45～85 ℃，國外比較典型的無鉛試驗(yàn)溫度是-25～125 ℃或-40～125 ℃。Intel公司的 Fay Hua給出的較為典型的過程：-40～125 ℃，30 min一個周期，環(huán)境試驗(yàn)箱是雙工作室結(jié)構(gòu),高低溫轉(zhuǎn)換時間低于2 min，測試時間為1 500～2 000 個周期）、跌落實(shí)驗(yàn)、高低溫存儲老化試驗(yàn)120～-20℃、潮濕敏感試驗(yàn)（參考IPC/JEDEC-020C）、沖擊（跌落）試驗(yàn)、機(jī)械彎曲和扭曲試驗(yàn)（參考IPC/JEDEC-9702）、機(jī)械振動、錫須評價、霉菌（參考GJB 150.10）、鹽霧（參考GJB 360.2，MIL-STD-883D）等。

在無鉛焊點(diǎn)可靠性試驗(yàn)中，比較重要的是針對焊點(diǎn)與連接元器件熱膨脹系數(shù)不同進(jìn)行的溫度相關(guān)疲勞試驗(yàn)，包括等溫機(jī)械疲勞試驗(yàn)、熱疲勞試驗(yàn)及耐腐蝕試驗(yàn)等。

2.3 可靠性試驗(yàn)的數(shù)值模擬

各種可靠性試驗(yàn)都需要大量的人力物力的投入，隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，部分試驗(yàn)可以借助分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，計算可靠性數(shù)據(jù)及不同場合下封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

利用數(shù)值模擬分析焊點(diǎn)可靠性試驗(yàn)大致包含3個內(nèi)容：

1）采用有限元分析軟件，求解焊點(diǎn)內(nèi)部循環(huán)非線性應(yīng)變范圍，預(yù)測焊點(diǎn)壽命；

2）根據(jù)焊點(diǎn)的最大Mises 等效應(yīng)力或等效非彈性應(yīng)變，預(yù)測裂紋萌生部位；

3）以焊點(diǎn)的Mises 等效應(yīng)力分布，評價不同形態(tài)焊點(diǎn)的可靠性，指導(dǎo)焊點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計。

數(shù)值模擬的關(guān)鍵是模型的代表性和有效性，很多機(jī)構(gòu)使用基于最小能量原理和有限元數(shù)值分析方法的Surface Evolver軟件進(jìn)行焊點(diǎn)模型的建立[7]如圖1所示，對于工程上的焊點(diǎn)評估最好采用實(shí)物焊點(diǎn)切片分析測量如圖1所示。

圖1 通過實(shí)際測量后建立的焊點(diǎn)三維模型Fig. 1 Finite element 3D model of solder joint built by practical measuring

3 結(jié)語

目前軍用電子產(chǎn)品的生產(chǎn)處在元器件無鉛化、焊接環(huán)境有鉛化的混裝階段，形成的焊點(diǎn)可靠性需要重新審視和評估，同時需要從無鉛元器件的選用到采購、配送、焊接，做好充分的研究準(zhǔn)備工作，尤其是從工藝角度做好無鉛器件的可靠性研究試驗(yàn)工作，統(tǒng)一試驗(yàn)方法，利于不同試驗(yàn)的橫向比較，避免質(zhì)量問題的發(fā)生，提高產(chǎn)品的可靠性。

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[4]方開泰，馬長興.正交與均勻試驗(yàn)設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社，2001：35.

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