无铅元器件的前向和后向兼容性

1摘要

在欧洲,以法律为主、市场为辅的方式推动着元器件向无铅的转换,这个转换进程已经近乎完成了。这是一个极为苛刻的挑战,要求在短时间内完成数千个产品系列和数千亿个电子元器件的转换工作。这种变化在电子产品的历史上是前所未有的,不但对技术上的生产工艺有影响,而且还影响到材料供应、库存、正确的产品订货和分配,器件用户的工艺及产品的良率和可靠性等供应商-客户关系链条。

本篇论文将主要讨论电子元器件在焊接时的新特性,即后向兼容性。主要的无铅表面涂层是纯锡,熔点是232℃。如果无铅产品要用在传统的SnPb焊接工艺中,焊接温度将远低于纯锡触点的熔点。研究结果将显示,要在低至205℃的峰值温度下实现优异、后向兼容、可焊的无铅表面涂层,需要搞清楚必须遵守哪些参数。另外,本文也将讨论良好和不良的后向兼容产品的浸润机制。

2无铅-一个技术问题?

面对工艺转换历史上前所未有的最大挑战之一,即转换为无铅的电子产品,整个电子行业都在为之努力。早在十年前,我们和业界同仁一起研究出了从氯氟烃(CFC)向一些更环保的化学替代品转换的办法,主要和制造商生产线内部的技术处理有关,也就是说,它还只是一个供应链单方面的孤立问题。

现在向无铅的转换过程要复杂得多。不但供应商的元器件制造工艺要改造,用户的焊接工艺也要改造。即使用户拒绝无铅改造,由于一些元器件将只提供无铅型号,用户的焊接工艺也会受到影响。而且,器件用户、分销商和供应商在订货、订货编号和库存控制上各持己见,使这个转换进程困难重重。但是这些层面的问题不在本文的讨论范围之内,我们将主要讨论两个主要技术话题中的一个,即可焊性。

虽然电子行业已经对晶须现象进行了深入讨论和调查,但可焊性问题似乎被忽视了。造成这种情况的一个原因是,很多无源器件早在几年前甚至十几年前就已经采用无铅表面涂层,而且无论是可焊性还是晶须生长倾向,也大抵没出现什么问题,

尽管如此,现在很多汽车行业的器件用户报告说,目前正在转换为无铅的一些器件出现了可焊性问题。显然,现在的元器件制造商在纯锡表面涂层的知识和经验掌握程度上参差不齐。因此,除晶须生长倾向以外,在无铅转换过程中,可焊性的技术方面还存在相关的技术议题。

3焊接工艺

目前,回流焊、波峰焊和气相焊工艺都已经建立了行业标准。制造商要求高效率,并且故障率、返修率和产出都已经被极大地优化了。元器件的使用者已经习惯了这样的标准,需要由此而带来的成本节约,保持可预测的生产成本。在这些焊接工艺中,回流焊在现代的经济的SMD电路板制造中是最重要,也是最敏感的工艺。当使用无铅转换后的工艺或器件时,要求性能数据不能有半点变化。

图1详尽地显示了目前锡铅焊接工艺所使用的温度时间曲线,尤其是采用塑料等热敏感材料的元器件的温度时间曲线。

很多客户所使用的温度曲线甚至比标准的205℃峰值温度(210℃ +0; -5℃)还低,在那些温度下也需要极佳的可焊性。主流无铅焊料的熔点比SnPb焊料的熔点高近40℃,无铅焊接的峰值温度必须稍高一点。然而,同等的最小热应力条件也是根据低级别的无铅焊接定义的,如图2所示。

如果带有无铅涂层的元器件专门用在无铅焊接工艺中,事情就就变得相当简单,并且现有的SnPb工艺可以保持不变。但是当转换为无铅的元器件用在现有的低温锡铅焊接工艺中时,就会出现技术问题。要避免这样的问题,需要元器件具备一种新特性:转换后的无铅元器件必须前向和后向兼容,也就是说,无铅表面涂层必须能够用在所有的焊接工艺中,包括使用很低的温度,以及对新的无铅或传统含铅焊接来说都是最差条件的工艺。

4无铅器件在SnPb焊接时的一般注意事项

焊接温度:纯锡的熔点是232℃,而锡铅合金的熔点是182℃,请参见图3中的锡铅合金相变图。

因此,一个常见的疑问是无铅端接涂层是否需要比含铅器件更高的焊接温度。答案是否定的!在目前所使用的各种SnPb工艺中,纯锡涂层都具有更好或近似的可焊性。但不幸的是,这种情形并不一定会发生。

5何种机制帮助焊接进程?

当固态的纯锡表面涂层浸入到温度低于纯锡熔点(

虽然器件的表面涂层在205℃这样的低温下还是固体材料,没有熔化,然而焊接过程应该已经开始了。可以用下面的类比帮助解释发生了什么:在熔融焊料中的纯锡层表现得就像茶水中的糖块。一旦接触上,焊料就通过扩散过程浸润固体表面,熔解过程就会在这个界面上开始。纯度更高的固体材料更容易和更快地熔解。在任何情况下,这个过程都依赖于温度和材料。

表面可浸润性和锡的熔解性取决于表面钝化(氧化锡等)的程度。在低焊接温度下,只有活化的金属态锡表面才能熔解。钝化程度决定了优良和不良可焊性之间的差别,并确定了接触点后的向兼容性状况。要破坏表面钝化,通常要在焊接工艺中使用助焊剂。

6锡铅焊接的问题

6.1 焊接后的气泡和空洞

不幸的是,不良的后向兼容性是很成问题的,特别是在低温焊接中。多孔和带气泡的表面结构,或者出现非接触焊接这样最坏的情况,都是此类新型故障机制造成的,如图6至图14所示。

如果PCB板上的器件安装得当,不良后向兼容性的最初阶段是多孔的表面。锡没有完全熔解,因此焊料中的铅只覆盖了接触点上表面的一部分,并在纯锡表层的下面发生蠕变,如图7和图8所示。

可是这些产品的焊点仍然是很明显的,自动视觉焊点检查会剔除掉这些产品。

在锡层和锡层表面高度钝化的情况下,由于接触面在一侧的浸润不及时,在另一侧出现不均匀的浸润,不良的后向兼容性在焊接时会产生“墓碑效应”,如图9所示。

当钝化的锡层非常厚时,如35～40μm,不良的后向兼容性会造成另一种缺陷。在不高于230℃的回流焊峰值温度下,焊点会出现一种不规则的“爆米花效应”,焊接后会出现很大的半球状表面,如图10所示。

图11中的焊点横截面非常清楚地显示了“气泡效应”,可以在焊点处发现由出气产生的大块空洞。EDS分析揭示出在镍栅层方向上铅浓度会降低,同时表面被高浓度的铅和锡氧化物所覆盖。这会产生高表面张力,并导致焊点不饱满。

如果严重钝化的锡带有正常厚度的锡层(4~12μm),再加上使用不当的底层材料,会导致焊点空洞。来自混合材料的出气,来自助焊剂的粘合剂或溶剂附着在钝化锡的部分焊点上。这些材料会向外吹起,直到焊料凝固,不会受初始锡层厚度的制约,如图12和13所示。

用X射线检查过程中,可以探测出过量的空洞,焊点也不能认为是“良好的”。不合格的电路板会扰乱电路板的生产流程,对良品率将造成负面影响。

6.2 焊点可靠性的影响

在上文中,我们发现钝化的锡能够附着在非金属上,经过回流焊工艺后,最终会产生空洞。锡如果熔解得不充分,就会在焊点造成富锡区。这会影响焊点的冶金性能,还可能促使焊点在热循环时早早地开裂。

热循环测试是机械应力测试,尤其是在器件安装到PCB板上之后,要用这种方法来评估电路的可靠性。由于混合在一起的材料(如PCB,焊料和器件)的CTE热膨胀系数不同,器件和PCB板的弯曲会产生机械应力,肯定会发生焊料的蠕变[2]。如果焊接后的锡铅相保持均匀,就能够抑制铜等材料从焊盘向外的不规则分解和扩散,也不会长出不好的金属混合物IMC。

在异质焊料区,有两个因素会使得疲劳破裂的风险升高,一个是在SnPb焊料中的富铜区,一个是无铅焊料系统中的富铅区。后一种可能性并不重要,而且看起来也不会因为在无铅工艺中错误地使用含铅器件导致这种情况的发生[4]。由于IMC比较脆的缘故,产生柯肯特尔空洞[5]以后,沿着 (富铜)IMC焊料接缝的裂口会越变越大。

器件的纯锡表面涂层完全熔解到熔融的SnPb焊料中,对于实现一个可靠的焊点来说是基本要求。活化的纯锡表面涂层的高熔解速度是测量指标。该属性可以用下图来描述:当一滴墨水滴进一杯水里时,不用搅动,墨水就很快扩散开,在十分理想地很快变得不可见了。图15显示了纯锡涂层能很好地熔解进液相SnPb焊料。

7纯锡对锡铅熔解特性的影响

需要明确指出,在通常情况下,器件表面涂层的纯锡量与熔点是不相关的,熔点对此没有太大的影响。图16显示了SnPb焊料与纯锡表面涂层的质量比对SnPb合金熔点上限的影响。据估计,在标准焊盘尺寸上,所有外形尺寸大于0402的器件和厚度小于20μm(图16中的大箭头)的纯锡表面涂层均不会明显提高焊料的上限熔解温度。

共熔的SnPb焊料与纯锡接触层的质量比降到4:1,并不是提高回流焊峰值温度的必要条件(在205℃左右的峰值温度下,残留的Δ?谆还大于10K)。只有在质量比小于3:1的传统SnPb焊接中,如安装球栅阵列的芯片时,有必要使用更高的峰值温度。

8浸润

我们发现,在现有的SnPb焊接工艺中,纯度不够的锡熔解后会导致焊接问题,尤其是在峰值温度小于纯锡的熔点232℃时。下面的章节将揭示这种情况的主要影响变量。

浸润平衡试验包括浸润力测试和表面涂层的浸润时间,采用给定的焊料系统和助焊剂(欲了解详细信息,请参阅IEC 68-2-69标准)。试验流程如下:

将接触面浸入到焊料球里以后,可以同时测出浸润力。浸润力是由焊料弯液面里表面张力的叠加产生,会把器件“吸”到焊料里,如图17所示。

对于给定的接触面几何形状,可以用浸润速度和最终的浸润力作为被测触点涂层可焊性的度量标准。

9哪些参数会影响纯锡的钝化?

电锡表面不好的可焊性和不良的后向兼容性(钝化)是由不规则地掺入了大量有机物,以及沉积锡的氧化物,或是在电镀过程中引入了混合物而引起的。掺入的有机物会影响锡层的纯度,在低温焊接中会使得SnPb焊料中的器件接触面上的锡熔解不良。锡颗粒的表面氧化物还会产生钝化效应。导致不常见的高掺杂有机物和氧化物的主要原因有:

- 气流密度;

- 化学清洗剂;

- 清洗时的光亮剂(有机的)浓度。

另外,在锡接触点的表面也会出现钝化现象。可能引起锡表面高度钝化的原因有:

- 气流密度;

- 涂锡后的清洗过程。

对于如何提高和优化电镀纯锡层,业界已经积累了很多年的经验。利用上面提到的浸润力平衡试验,能够很容易地通过实验和评估核实这些情况。

显然,主要影响因素是纯锡电镀电解液的化学清洗剂。尤其是有机清洗剂常常被供应商视为商业机密。因此,首先要核实电镀清洗的一般功能,然后再作认证。如果提供了基本上可用的电解液,就可以制定出适当的工艺窗口。

下文将比较两种纯锡清洗(采用基本适量的清洗剂)。将采用稳定工艺窗口和较高可焊性的清洗做为基准:所采用的样本是MMA。

实验 1:

样本 A:

- 轻微分解的(5种)有机清洗成分;

- 大于2倍气流密度;

- 电镀后清洗残渣的时间缩短了75%。

样本B:

- 重度分解的(5种)有机清洗成分;

- 大于3倍气流密度;

- 电镀后清洗残渣的时间缩短了75%。

测试条件:

- 未活化的助焊剂(松香)

- 焊球材料:Sn60Pb40。

- 焊球温度为235℃。

图18中的浸润平衡试验结果显示出很大的不同。

观测结果:

- 样本A、样本B和基准MMA之间有显着不同

- 在1秒钟之内,MMA被焊料浸润到2/3的Fmax

- 保证足够的后向兼容性,应在小于1.5秒的 时间内达到2/3的Fmax。

- 样本A的浸润开始得快一些;

- 2～3秒的浸润时间是临界值;

- 在小于2/3 Fmax 的温度下,将产生类似多孔表面的不规则浸润现象(图 6至图8);

- 在小于50% Fmax的温度下,接触面可能没有浸润,请参见图9的“墓碑效应”。

为从普通的锡结构中核实和区分出这些表面效应,又采用特殊的机械抛光工艺,对样本A和B进行了两项更深入的实验。为达到所需的效果,首先将化学清洗剂的所有残渣从最终的锡层表面清除掉,使锡表面活化并保持金属态,保持这个状态直到复合层开始焊接,实验结果如图19和20所示。

实验2:

对样本A的锡表面进行机械抛光。

试验 3:

对样本B的锡表面进行机械抛光。

经过此次抛光过程,样本A或样本B的后向兼容性不足不再有任何相关性。然而,一些值得注意的不同之处还是明显存在的。

观测结果:

- 对样本A和样本B的纯锡表面进行机械表面抛光可显着提高不良样本的可焊性。

- 与MMA基准相比,样本A的浸润速度得以优化,样本B则没有这种情况发生。

- 样本A和B的整体浸润力无法通过抛光达到可与基准MMA相比的程度。

结论

通过破坏钝化层,不良样本的表面抛光能够大大提高可焊性。但是抛光仅仅是一种表面效应,只能影响浸润过程的初始阶段。这表明,被测锡层结构的一些普遍特性对可焊性还有额外的负面影响。

测试数据也可以理解为,样本A主要受表面钝化层的影响,受混合有机物的影响要少一些(但是在锡层的最表面,有机物的浓度较高)。对于样本B,更高的气流密度通常会导致不规则出现的高有机物浓度,以及锡颗粒和表面涂层的钝化(即氧化)。此外,气流密度和电清洗有机物的浓度是重要参数。

10用浸锡和观察试验来探测不良的可焊性

要成批检查一点的可焊性,浸锡试验是最简单、又相当快速的试验方法。

试验 (n = 10):

1) 样本A和 B:

在215℃(+0, -5℃)的焊料中浸2秒钟

(SnPb焊料, 非活化助焊剂)

经过 4小时, 155℃ 炉内老化或蒸汽老化

结果:如图21所示,故障率高达60%～90%

2) 抛光后的样本A和B:

在215℃ (+0, -5℃)的焊料中浸2秒钟

(SnPb焊料, 非活化助焊剂)

经过 4小时, 155℃ 炉内老化或蒸汽老化

结果:良好的可焊性如图22所示。

结论:

- 器件经过老化后,在215℃下进行2秒的焊料浸锡试验(浸锡和观察),可以鉴别出后向兼容不良的的批号。

- 浸锡试验结果与浸润平衡试验的结果是一致的。

- 无铅接触设计的可靠性认证试验必须包含无铅和现有SnPb焊接工艺的低温试验,以确保转换后器件的前向和后向兼容性。

11回流焊的焊盘测试

我们特别开发了回流焊的焊料盘测试,以便研究空洞和气泡造成的影响。由于这项测试非常简单,每个人都轻松完成,因此可以用几句话来简要描述:

透过漏版,把焊膏(适当活化)涂抹到涂锡的基板上;

把样本放到焊膏圆点中;

把带有样本的基板放到表面温度为210℃的热板上。焊膏将会熔融,并浸润接触面(大约30秒);

视觉检查清楚地显示了焊料盘的普遍特性,如图23和24所示。

经过视觉检查后,可以做破坏性的剪切试验。如果接触附着力受到某种影响,剪切力就是最好的测试手段。剪切后的触点表面图像能够可靠地揭示是否发生了空洞效应。图25和26显示了饱满的焊点和严重的空洞。

12关键工艺:电镀

电镀参数对后向兼容性和晶须倾向的影响被完全忽略了。我们对电镀技术知之甚少。图27以思维导图的形式,显示了为达到可靠的电镀结果所需的全部已知参数。该图揭示了电镀时的复杂性、复杂的相互作用,可焊性的依赖因素,以及晶须生长现象。该图清楚地显示了晶须生长机制,为开发能够实现可靠器件接触的可靠工艺奠定了基础。

13设计无铅元器件的可靠测试流程

我们可以得出结论,向无铅产品转换的主要改变将在技术上受到以下四个关键综合因素的影响:

1. 由于无铅工艺可能使用更高的焊接温度,焊接热阻或潮湿敏感度等级(MSL)分别有各自的影响;

2. 在新的无铅工艺及现有的锡铅焊接条件下,无铅器件在最坏条件下的可焊性,即前向和后向兼容性。

3. 能可靠地减缓新无铅设计中的晶须生长。

4. 经过新无铅工艺中可能出现的最坏焊接条件后,转换后的器件能够承受临界应用的特性。

在为新无铅产品认证设计可靠的测试流程时,必须充分考虑这四项综合因素。

14结论

除了巨大的挑战和供货要求,围绕转换为无铅电子器件,在客户-供应商链内已经解决了可焊性的技术和可靠性问题,以及减缓晶须发生的问题,并且彻底实现了无铅。在所有现存的SnPb焊接工艺中,一个被广泛低估的问题是向无铅产品转换后的后向兼容性。通过以上演示说明,可以通过对器件设计和电镀工艺进行适当的设计、熟悉和认证,来实现可靠的器件和工艺。

参考文献

[1] R. Kuehl, “Contact Design of Surface Mounted Resistors” (German), ELEKTRONIK, 25, Dec 1989.

[2] R.W. Kuehl, “Mechanical stress and deformation of SMT components during temperature cycling and PCB bending”, Soldering & Surface Mount Technology, Vol. 11, No. 2, pp 35 to 41, 1999.

[3] Vishay Beyschlag internal report and investigation results

[4] A. Westwater, “Transition to Lead-Free Components & User Induced Component Failures”, Rohm Electronics.

[5] Vishay Beyschlag internal report and investigation results