核電廠DCS安全級(jí)設(shè)備中板卡無鉛焊接可靠性研究

李建剛，李俊卿，張瑞鋒，王 順

（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094）

0 引言

2006年7月1日，出于環(huán)境保護(hù)的目的，歐盟對(duì)RoHS，鉛、鎘、汞、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯（PBB）、多溴二苯醚（PBDE）6種有害物質(zhì)明確要求禁止。受到RoHS環(huán)保要求影響，目前大量的工業(yè)級(jí)電子元器件供應(yīng)商逐漸進(jìn)行工藝變更以符合RoHS的規(guī)定，致使大量元器件焊接端已無鉛化，很多有鉛元器件已停產(chǎn)或難以采購，導(dǎo)致公司板級(jí)自產(chǎn)品釬焊工藝使用有鉛焊料焊接無鉛元器件。由于兩種合金材質(zhì)的不同，導(dǎo)致其工藝參數(shù)的范圍不同，如焊料熔化溫度的差異、焊接峰值要求的差異以及兩種合金表面張力差異等[1]。雖經(jīng)過摸索和驗(yàn)證，找到兼容混焊工藝的參數(shù)，但該參數(shù)為了平衡這些差異使得工藝參數(shù)控制難度提高，兼容的要求使工藝窗口變窄。因此，使用無鉛焊料焊接無鉛元器件，提高焊料合金匹配度，拓寬工藝窗口，保證工藝穩(wěn)定性同樣是產(chǎn)品生產(chǎn)制造方面較為重要的需求。

圖1 爐溫曲線Fig.1 Furnace temperature curve

1 無鉛工藝驗(yàn)證方案

1.1 無鉛工藝驗(yàn)證范圍

根據(jù)HAF601[3]、HAF003[2]中對(duì)安全級(jí)板卡工藝過程控制的要求，基于電子裝聯(lián)行業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)IPC-J-STD-001[4]、IPC-A-610[5]及當(dāng)前安全級(jí)自產(chǎn)品有鉛焊接工藝評(píng)定的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，安全級(jí)自產(chǎn)品板卡的焊接過程中涉及回流焊接、選擇性波峰焊接、手工焊接，本文針對(duì)回流焊接工藝中無鉛工藝的質(zhì)量加以驗(yàn)證。

1.2 無鉛工藝驗(yàn)證步驟

依據(jù)當(dāng)前工藝驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，有鉛焊接工藝和無鉛焊接工藝主要的差異為錫膏成份，而裝焊過程中主要影響焊接質(zhì)量的因素為焊接時(shí)的回流曲線。

因此，無鉛工藝驗(yàn)證過程主要分為：無鉛回流曲線設(shè)置、工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)、無鉛工藝可靠性驗(yàn)證。

2 無鉛工藝驗(yàn)證

2.1 無鉛回流曲線設(shè)置

本內(nèi)容主要是導(dǎo)入無鉛回流工藝的關(guān)鍵參數(shù)溫度曲線。在第1次回流工藝參數(shù)的設(shè)置中，為了盡量降低焊點(diǎn)的空洞率，保溫時(shí)間統(tǒng)一控制在120s左右（參考錫膏使用說明），主要考察不同的回流時(shí)間與峰值溫度對(duì)焊接質(zhì)量的影響。實(shí)測溫度曲線如圖1所示。

2.2 工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.2.1 外觀檢查

圖2 焊點(diǎn)X-ray對(duì)比Fig.2 X-ray comparison of solder joints

圖3 金相切片（曲線1、曲線2、曲線3 BGA）Fig.3 Gold phase slices (curve 1, Curve 2, Curve 3 BGA)

對(duì)曲線1～曲線3制備的PCBA進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)曲線1的樣品部分焊點(diǎn)可見錫粉形貌，呈現(xiàn)明顯的冷焊現(xiàn)象；曲線3的樣品部分焊點(diǎn)的助焊劑殘留物呈現(xiàn)發(fā)黃的現(xiàn)象，助焊劑殘留物發(fā)黃可能與焊接過程中熱量過大有關(guān)，而曲線2的樣品外觀未見明顯異?，F(xiàn)象。

2.2.2 X-ray檢查

對(duì)曲線1～曲線3制備的PCBA進(jìn)行X-ray檢查，發(fā)現(xiàn)曲線1的樣品BGA焊點(diǎn)呈現(xiàn)“枕頭”缺陷如圖2所示，曲線2與曲線3的BGA焊點(diǎn)形貌良好，空洞率分別約為2.8%與9.9%，遠(yuǎn)低于25%。

2.2.3 金相切片

對(duì)曲線1～曲線3制備的PCBA進(jìn)行金相切片分析，分析位置包括BGA焊點(diǎn)以及其他表貼焊點(diǎn)。金相切片結(jié)果發(fā)現(xiàn)：曲線1的樣品BGA焊點(diǎn)高度較大，坍塌不良，部分BGA焊點(diǎn)存在冷焊如圖3所示，呈現(xiàn)“枕頭”缺陷，曲線2與曲線3的樣品BGA焊點(diǎn)坍塌良好，未見明顯異常如圖3所示。

2.2.4 SEM﹠EDS

對(duì)曲線1～曲線3的焊點(diǎn)截面進(jìn)行SEM﹠EDS分析，主要針對(duì)BGA焊點(diǎn)截面進(jìn)行分析。

曲線1制備的BGA焊點(diǎn)存在明顯冷焊現(xiàn)象，錫膏未完全熔融；BGA焊球內(nèi)部存在較為細(xì)膩、彌散的Sn-Ag以及Sn-Ag-Cu合金顆粒；SEM﹠EDS分析結(jié)果如圖4所示。

曲線2制備的BGA焊點(diǎn)坍塌良好，BGA焊球內(nèi)部存在較為細(xì)膩、彌散的Sn-Ag以及Sn-Ag-Cu合金顆粒。

曲線3制備的BGA焊點(diǎn)坍塌良好，BGA焊球內(nèi)部存在較為粗大的Sn-Cu-Ni合金組織。

2.2.5 無鉛回流工藝質(zhì)量總結(jié)

曲線1制備的板卡存在明顯的冷焊現(xiàn)象，BGA焊點(diǎn)存在坍塌不良以及枕頭缺陷。

圖4 SEM﹠EDS結(jié)果（曲線1，BGA焊點(diǎn)）Fig.4 SEM﹠EDS results (curve 1,BGA solder joints)

曲線3制備的板卡焊點(diǎn)的工藝質(zhì)量未見明顯缺陷，然而BGA焊點(diǎn)內(nèi)部形成了粗大的Sn-Cu-Ni合金組織，部分PCB側(cè)的IMC厚度達(dá)到了7.9μm。焊接界面IMC厚度過大、焊點(diǎn)內(nèi)部存在大塊金相組織會(huì)降低焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度以及耐疲勞性能，表明該曲線的焊接熱量過高。

曲線2制備的PCBA焊點(diǎn)的工藝質(zhì)量未見明顯缺陷，BGA焊點(diǎn)坍塌良好，焊點(diǎn)內(nèi)部形成了較為細(xì)膩、彌散的Sn-Ag以及Sn-Ag-Cu合金顆粒，在焊接界面的IMC較為均勻連續(xù)。根據(jù)圖1的回流焊接溫度曲線分析，曲線2的焊接熱量適中，焊接質(zhì)量較好。

2.3 無鉛工藝可靠性評(píng)價(jià)

對(duì)最優(yōu)無鉛工藝參數(shù)制備的板卡開展工藝可靠性鑒定工作，通過對(duì)板卡施加一定的環(huán)境應(yīng)力，然后對(duì)經(jīng)受環(huán)境應(yīng)力后的無鉛焊點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，研究無鉛工藝制備的板卡耐環(huán)境應(yīng)力能力工藝可靠性鑒定。

經(jīng)過各項(xiàng)試驗(yàn)后，對(duì)選定的點(diǎn)進(jìn)行金相切片分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1000次溫沖后，大封裝尺寸的C5和Y3焊點(diǎn)存在焊料破裂現(xiàn)象，裂紋沿著焊料之間擴(kuò)展，裂紋的長度約小于裂紋方向焊點(diǎn)連接長度的50%如圖5所示。

對(duì)可靠性試驗(yàn)后的PCBA焊點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其它各項(xiàng)均合格。

金相切片分析，發(fā)現(xiàn)1000次溫沖后大封裝尺寸的C5和Y3焊點(diǎn)存在焊料破裂現(xiàn)象，裂紋沿著焊料之間擴(kuò)展，裂紋的長度約小于裂紋方向焊點(diǎn)連接長度的50%，說明焊點(diǎn)的電氣性能仍然能夠保持有效的連接；溫沖后小封裝尺寸的C124焊點(diǎn)未見開裂缺陷。對(duì)比C5與C124元件封裝尺寸，發(fā)現(xiàn)封裝尺寸較大的焊點(diǎn)更容易發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)開裂，主要原因?yàn)樵谙嗤瑹崤蛎浵禂?shù)差異、相同溫變范圍情況下，封裝尺寸越長，熱膨脹變形的變化量越大。此外，其余溫度循環(huán)、機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械沖擊樣品均未見開裂、不潤濕或虛焊等缺陷，表明焊點(diǎn)耐溫度循環(huán)、機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械沖擊等環(huán)境應(yīng)力的能力相對(duì)較好。

圖5 溫沖后金相 (C5)Fig.5 Metallographic (C5) after warm punching

綜上所述，可以得到以下結(jié)論：焊點(diǎn)耐溫度循環(huán)、焊點(diǎn)耐溫度沖擊、機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械沖擊環(huán)境應(yīng)力的能力較強(qiáng)。

3 無鉛焊接驗(yàn)證結(jié)論

依據(jù)核電行業(yè)相關(guān)技術(shù)要求，結(jié)合核安全級(jí)產(chǎn)品可靠性方面的要求，通過從無鉛回流焊接焊點(diǎn)質(zhì)量以及可靠性評(píng)價(jià)兩個(gè)維度的驗(yàn)證試驗(yàn)，得出優(yōu)化后的無鉛工藝參數(shù)；同時(shí)通過分析總結(jié)這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)并與實(shí)際產(chǎn)品工藝需求相結(jié)合，建立起一套針對(duì)核電廠數(shù)字化儀控設(shè)備板卡無鉛焊接可靠性的驗(yàn)證方法。