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返修后和老化后无铅电子组件的可靠性

[color=#336204][size=2][b]摘要[/b]: [/size][/color]
[size=2][color=#336204]对于电子设备制造商而言，老化后及返修后的无铅和无铅/有铅混装的焊点可靠性是一个重要课题。受政府法规和市场压力的驱动，目前全球制造厂商已逐步转换成无铅，如果标识不当或没有合适的替换材料，那些需维护的有铅电子设备可能不得不用无铅部件或材料进行返修。本文作者进行了老化后和返修后的焊点可靠性试验研究。试验样品包括高 温老化后和未进行老化的无铅和有铅印制电路板组件，组件上有表面贴装元器件，包括球栅阵列封装(BGA)、无引脚电阻、四方扁平封装(QFP)。试验样品中无铅和有铅元器件和材料混合，而后对试验样品进行老化和返修。应用温度循环载荷来检验焊点的可靠性，试验结果表明：对于PBGA封装焊点而言，高温老化对无铅焊点的损伤影响要比有铅焊点大；另外，无铅PBGA焊点的失效分布要比有铅焊点失效分布更宽。 [/color][/size]
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[size=2]大部分电子制造厂商已经完成了无铅材料和无铅 工艺的转换，以应对政府法规，并完成供应链 架构调整与之相适应。与此同时，诸如 航天、军用和太空应用的电子制造厂商享有政府法规的豁免，由于担心无铅元器件和组装的长期可靠性问题，他们都会尽量维持使用目前的有铅元器件和组装工艺。[/size]
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[size=2]在目前的情况下，无铅元器件可能会有意无意地用在有铅组装工艺中，另外，那些需维护的有铅电子设备在返修时可能有意无意地会使用无铅部件或材料。目前，对于无铅硬件和那些用混装（无铅／有铅）焊料返修的硬件的长期可靠性依然存在争议。对于无铅焊点的可靠性，业界有大量的研究成果。这些研究成果表明：在温度循环载荷条件下，大多数情况的无铅组件焊点可靠性与有铅焊点可靠性相当或更好。对于用有铅焊料焊接无铅 BGA元器件的焊点，研究表明其可靠性与纯无铅焊点相当，前提是混装焊点中的铅均匀扩散分布在整个焊点中。然而，如果焊点中的铅没有扩散，那就会出现严重的早期失效。[/size]
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[size=2]对于返修焊点的可靠性，相关的信息很少，最值得注意的数据来源于老旧飞机联合委员会（JCAA）和污染 防治联合小组（JGPP）赞助项目的近期研究成果。在 JCAA/JGPP的研究中，设计了标准的有铅和无铅试验板，试验板上面有各种常用的表面贴装元器件，板上也有一组插装式元器件，而后进行环境试验。作为本研究的一部分，试验板上进行了有铅焊料／无铅元器件组装，有铅组件用无铅元器件进行返修。作为一种控制，有些有铅组件焊点返修时用无铅元器件，而不是有铅元器件。当组件进 行－55℃～125℃温度循环时，发现用有铅焊料组装无铅 塑封BGA（PBGA）元器件的混装焊点，其特征寿命比有铅焊料／有铅PBGA组成焊点的特征寿命要高，然而无铅 PBGA焊点的失效分布要比有铅PBGA焊点宽。失效分布更宽也许说明了混装和无铅焊点结构的一致性较差。[/size]
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[size=2]除了返修，也要考虑老化对焊点可靠性的影响，最近对无铅和有铅焊点可靠性的研究成果表明：高温老化会降低焊点的拉伸强度，然而，目前对于高温老化导致的焊点拉 伸强度降低是否会在其它环境试验中体现出来仍不清楚。为了评估老化和返修对无铅和有铅焊点的影响，计算机辅助产品寿命周期工程中心（CALCE）联合CALCE电子产品及系统研究协会进行了相关试验研究，本文将阐述此项研究和相关成果。[/size]
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[size=2][b]试验和测试计划[/b]
为了评估高温老化和返修对无铅和有铅焊点可靠性的影响，设计和制造了一系列试验板。试验板上有常用的表面贴装元器件，包括PBGA、QFP和无引脚电阻。试验板设计成单面板，板厚为62mil，板材为普通FR4（玻璃化转化 温度较低，约130℃）。为了监控焊点互连可靠性，试验元器件和单板互连组成低电阻菊花链网络。为了评估返修的影响，会将试验板上焊好的元器件拆除并返修。整个试验板和所选择的返修元器件的示意图如图1所示。[/size]
[size=2][img]http://dns.smte.cn/Files/UploadFile/2007年7月/0705pg25_f1.jpg[/img][/size]
[size=2]分别制造加工无铅和有铅两套试验板。无铅试验板的表面处理方式是化学锡，元器件是无铅，无铅元器件包括 Sn3.0Ag0.5Cu焊料球的BGA、引脚镀层为雾锡(matte Sn)／ Sn0.7Cu／Sn2.0Bi的QFP、焊端镀层为雾锡的2512片阻，无铅镀层QFP的位置如图1所示。有铅版本试验板的表面处 理方式是锡铅热风整平（HASL），元器件的焊端镀层是锡铅，其中BGA焊球是Sn37Pb，QFP引脚和2512片阻焊端的 镀层为Snl0Pb。所有元器件的镀层合金成分都用X射线荧光检测仪（XRF）确认。[/size]
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[size=2]试验加工了六块无铅试验板和六块有铅试验板。表1列出了有铅无铅材料混装返修情况下的试验组件和返修材料具体情况。表2列出了有铅无铅材料混装返修情况下的试验 组件和返修材料具体情况。当进行片阻和QFP的有铅返修时，使用的是Sn37Pb焊锡丝。进行无铅返修时，使用的是 Sn3.0Ag0.5Cu焊锡丝。进行BGA返修时，不使用焊膏。涉及有铅元器件用无铅焊料混装的单元已用颜色区分。[/size]
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[size=2]由于存在电子组件需要存放一段时间才会装入系统中应用的情况，所以应该考虑老化对可靠性的影响。储存和老化也会影响返修后焊点的可靠性。为了评估老化的影响，一半的无铅和有铅试验板在返修前进行125℃／350小时的老化。[/size]
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[size=2]为了评估焊点可靠性，返修后和未返修的组件都进行了温度循环试验，温度循环条件是－40℃～125℃，在高低温极限停留时间为15分钟。在进行温度循环时，实时监控由单个元器件和单板走线组成的菊花链网络电阻。失效的定义是在最少10个连续的温度循环中，检测到一个以上的大于300欧姆的电阻事件。各试验板的分类明细如表3所示。[/size]
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[size=2][b]表面贴装元器件的返修工艺[/b]
返修是在一家从事返修电子组件、符合IPC定义的3级要求的OEM工厂内完成的，返修时用一全新同型号的元器件替代原有元器件。QFP和片阻用手工焊接工具进行返修， BGA元器件用热风工作台进行返修，表4列出了返修工序的具体细节。图2表示拆卸片阻，图3表示BGA元器件的重新贴装。[/size]
[img]http://dns.smte.cn/Files/UploadFile/2007年7月/0705pg25_f2-3.jpg[/img]
[img]http://dns.smte.cn/Files/UploadFile/2007年7月/0705pg25_t1-4.jpg[/img]

[size=2][b]返修焊点检测[/b]
返修完所有元器件后用X—Ray进行了焊点检测。所有BGA返修焊点仅有一个由于少锡而出现菊花链开路（如图4所示），QFP返修后出现一个阻焊脱离（如图5所示），阻焊脱离会暴露铜走线，会由于铜迁移或腐蚀导致失效。在未返修的组件中没有发现类似缺陷。[/size]
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[size=2]图6表示QFP返修后出现了引脚偏位，这导致焊点面积减少。根据IPC－A－610D标准，对于IPC定义的l、2级产品，可以接受小于50％的侧悬出，对于IPC定义的3级产品，可以接受小于25％的侧悬出。图7和图8分别给出了返 修后BGA的外围和中间焊点的光学照片。通过对外排的中 间焊点和角落焊点高度对比，可以看出它们的差异明显，这一高度差异说明BGA元器件在组装过程中会发生翘曲，用X－Ray对同一BGA封装进行检测，确认了这一焊点高度差异（如图9所示）。[/size]

[size=2][b]可靠性试验结果[/b]
温度循环后大多数PBGA焊点都出现了失效，对失效时的循环数进行对比分析。图10说明了老化后和未老化组件的未返修无铅BGA试验数据的两参数韦伯（Weibull）图对比，图11则是有铅组件的类似曲线对比。结果表明，无铅PBGA焊点的特征寿命在高温老化后会降低25％左右，而有铅PBGA焊点的特征寿命在高温老化后仅降低5％左右。另外，无铅PBGA焊点比有铅PBGA焊点的失效循环数分布更宽。[/size]
[img]http://dns.smte.cn/Files/UploadFile/2007年7月/0705pg26_f4-6.jpg[/img]
[size=2]老化后和未老化无铅组件上的返修后P B G A焊点与未返修PBGA焊点的失效循环数对比如图12。在该图中，R ( S n P b )表示原来的无铅B G A被有铅P B G A替换返修，R(SnAgCu)表示无铅PBGA被另一个无铅BGA替代返修。 NA表示未老化组件，A表示高温老化后组件。图13表示有铅组件的类似对比图，在该图中，R（SnPb）表示原有有铅元器件被另一有铅元器件替代返修，R（SnAgCu）表示有铅元器件被无铅元器件替代返修。结果表明，返修后的无铅焊点（见图12）的失效时间差异比有铅焊点的要大(见图13)。[/size]
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[size=2][b]失效分析[/b]
为了判断已失效的PBGA电阻网络的具体失效位置，需要进行破坏性分析。结果无论有铅还是无铅PBGA，所有的失效位置都发生在焊点近元器件侧的硅片阴影区域，通过对 BGA封装的元器件基板的铜焊盘进行材料分析，证实有铅和无铅BGA元器件都是镍镀层，在焊点近焊盘侧没有发现金。 焊点元器件侧是阻焊膜限制的焊盘，单板焊盘侧是铜箔限制的焊盘。图14表示了锡铅焊点在元器件侧的失效。[/size]
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[size=2]图15表示未老化无铅焊点的失效位置的电镜照片，与有铅PBGA类似，发现在焊点近元器件侧出现裂纹。图16表示老化后无铅焊点失效的光学照片。对于高温老化后的焊点，近单板侧的金属间化合物（IMC）的厚度要比未老化PBGA焊点近单板侧的IMC要厚。[/size]
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[size=2]为了研究上述断裂位置的元素构成，采用X射线能谱仪(EDS)进行元素分析，发现裂纹区域是富锡相，这表明裂纹发生在焊点内的IMC(金属间化合物)下侧(如图17)。[/size]
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[size=2]本文进一步调查了在 H A S L表面处理单板上无铅 PBGA替换返修有铅PBGA是否会在焊点中残留铅，X射线能谱仪（EDS）分析结果表明返修后的焊点中不含铅。图 18～22表示替换无铅焊点微结构中发现的不同元素的元素分布图。[/size]
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[img]http://dns.smte.cn/Files/UploadFile/2007年7月/0705pg28_f22.jpg[/img]

[size=2][b]结论[/b]
本文评估了高温老化和返修对无铅和有铅组件的影响。返修缺陷包括引脚偏位、阻焊脱落、由封装翘曲导致的PBGA焊点高度不一致。应用－40℃～125℃温度循环诱 发大部分PBGA焊点失效。[/size]
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[size=2]对已失效PBGA焊点的物理分析发现：无论是有铅或无铅，焊点失效位置都发生在近铜箔限制的焊盘的元器件侧。无铅PBGA焊点的失效循环数的分布要比有铅PBGA焊点的宽。另外，高温老化对无铅PBGA焊点的损伤影响要比有铅PBGA焊点的大，同时也发现已返修的无铅组件的失效循环数差异分布要比已返修的有铅组件的宽，这一差异可能与无铅组装工艺的成熟度、无铅焊料在所受应力条件下的特征或返修工艺导致的缺陷有关。[/size]