无铅焊点的可靠性及其验证试验
摘要
本研究中对RoHS符合产品的可靠性进行了研究，重点是无铅焊点的可靠性。焊料在电子组装中是一个电的和机械的“胶水”。无铅焊料提供的特性是否会让业界在未来一直依赖它？本文无法给出结论！然而，我们试图帮助所有从事这项工作的人更好地理解为什么或应该如何去做，以便他们在未来能够找出答案。
引言
R oHS中规定禁止使用铅(Pb)，汞(Hg)，镉（Cd），六价铬(Cr6+)，PBB（多溴联苯），PBDE（多溴二苯醚） 等6 种有害物质，实施日期是2006年7月1日。这意味着，从这天起，所有的EEE（电气、电子设备），除那些豁免的之外[1,2,3]，如果他们含有这6种禁用物质，都不能在欧盟市场上销售。
无－ X （ 如无- 铅） 的定义是什么？这6种禁用物质在任何一个EEE的均匀材质中所允许的最大浓度值 (MCV)已在EU公报上公布， 并在2005 年8月18日立法[4]。它陈述：条款5(1)(a)规定，铅、汞、六价铬、多溴联苯(PBB)，多溴二苯醚（PBDE）均匀材质的MCV 为0.1%重量百分比，镉的MCV为0.01％。简单地讲，以无铅为例，定义为任何一个EEE在所有的（单个的）均匀材质中，铅含量小于0.1wt%。
什么是均匀材料？它定义为不能进一步分解成不同材料的单一材料。更多的“均匀材料”解释，请参看[5]。本文重点仅讨论Pb有害物质。
当今， 焊料合金多半使用的是63Sn37Pb，熔点183℃。不久前，多于1 0 0种无铅焊料合金存在于世，如[6]中表3.1 所示。然而，今天电子业界主要的无铅焊料是Sn(3-4)wt%Ag(0.5-0.7)wt%Cu (或简称 SAC)，熔点217 ℃ ， 比铅锡焊料合金的熔点高34℃。
印制电路板组装采用SAC焊料（替代SnPb）时，元件和PCB将承受更高的焊接温度，且他们在成本、性能和可靠性方面有很大的不同[10]。同时，对于电子业界来说，SAC合金还是相对较新的焊料，其焊点的可靠性是另一个更大的问题[11]。最后，用SAC焊接所带来的能量消耗将增加，据相关研究报道增约为18.5％[12]。因此，对于电子业界和环境而言，无铅（用SAC焊料）并没有什么好处。
无铅元件的可靠性、无铅PCB的可靠性本身都是非常重要的话题。然而在这里将不讨论，本文重点研究无铅焊点的可靠性。
在过去几年里，大家对无铅产品问得最多的问题是：
1、无铅焊点可靠吗？
2、无铅焊点比锡铅焊点更可靠还是更不可靠？
应该指出，这些都是不正确的提问，这样的问题没有答案。为了提出正确的提问，进行富有意义的讨论，人们必须知道可靠性的真正定义和关于可靠性工程的一些基础知识。
无铅焊点的可靠性
可靠性定义
电子产品指定封装的焊点可靠性定义为：焊点在规定的时间内和规定的条件下，完成规定功能而不失效的可能性 [11, 13, 14]。在数字上，可靠性是一个“幸存者”的百分比，即R(t)=1 – F(t)，这R(t)是可靠性（“幸存”）函数，F(t)是累计分布函数（累计失效概率函数CDF）。
寿命分布是一个用来描述焊点寿命的理论分布模型，它定义为CDF，即F(t)，用来描述焊点的寿命分布。因此，决定焊点可靠性的唯一方法是可靠性试验。
可靠性试验的目的
可靠性试验的目的就是要获得失效数（越多越好）和最符合选定概率分布（韦伯分布）的CDF （寿命分布函数）的失效数据。对一定数量的项目数（样本数）进行试验，最后数据应具有统计意义。可靠性试验时间是未知的，但通常很长，如几个月。
应该注意和强调的是，具有确定芯片尺寸的某一封装的无铅焊点，一旦它的寿命分布函数F(t)（累计失效概率）被可靠性试验估算出来，则该无铅焊点的可靠度R(t) 、失效率、累计失效率、平均失效率，平均失效时间等都容易确定[11, 13, 14]。
大多数可靠性试验是加速试验（即采用比正常设备使用时遇到的环境更严酷的条件，如增大温度或湿度等应力，加快物理化学失效退化过程，尽快获得相关可靠性数据）。因此，加速模型需要将失效概率、可靠性函数、失效率、以及平均失效时间，从试验条件转换到操作条件。在建立无铅焊点加速模型时，必须考虑以下因素：他们周围的材料（如焊料、塑封料、陶瓷、铜箔、玻璃环氧树脂以及硅）；载荷（如，应力、应变、温度、湿度、电流密度以及电压）；以及失效机理和模式（如：过载、疲劳、腐蚀以及电迁移）。
认证试验的目的
与可靠性试验不同，认证试验的目的是“通过”或“不通过”，试验时间（或次数）提前明确规定。一旦在规定的试验时间前发生任何失效，试验通常停止，然后进行失效分析，找到失效的原因。在所有参数改变后，如重新设计，新的认证试验将再次开始，认证试验的样本数量通常小于可靠性试验的样本数量。
试验方法
焊点试验的通常方法有：
温度循环试验（如：-25℃ to 125℃）
功率循环试验（取决于设计）
功能循环试验（取决于设计）
高低温存储老化试验（120℃ /-20℃）
偏压85/85试验（例如：85℃/85%RH, 1.8V
高压扩展寿命试验（例如：100℃, 1.8V）
压力蒸煮试验（压力锅测试）
（例如：121℃, 2atm）
盐雾试验 ( MIL-STD-883D）
潮湿敏感试验（例如：
IPC/JEDEC-020C）
冲击（跌落）试验（例如：1.3 – 1.5mm 跌落）
振动试验（例如：随机振动）
机械弯曲、剪切、和扭曲试验（例如：IPC/JEDEC-9702）
电迁移试验（例如：[15]）
其他
应该注意到，这些试验方法既可以用于焊点可靠性试验，也可以用于焊点认证。两者之间的关键差异是：1、样本的准备；2、样本数量；3、试验装置；4、数据的获得系统；5、数据的抽样方法；6、计算机软件；7、试验持续时间；8、目的。
本研究中，仅讨论可靠性试验。对于焊点的可靠性，通常上述试验中的大多数非常昂贵和耗时。因此，在可靠性试验前后，可靠性设计（DFR）和失效分析（FA），对于焊点的可靠性是非常有用和重要的工具。
焊点的可靠性工程
焊点可靠性工程的概念如图1所示[11, 13, 14]。它由3个主要的任务组成，即DFR、可靠性试验和数据分析、以及FA。通常程序是从焊点设计开始（在给定IC芯片尺寸和封装、焊料合金，和相应的PCB条件下的焊点），并表明该设计包含电、热和机械噪声。例如，DFR行为常常用有限元模拟方法完成，它利用所有结构部件的材料性能和强加的边界条件进行，这方面案例请参看[16-19]。
接下来的步骤，是制作一定数量的有效样本或“可靠”设计的样本，并在一定操作条件下和给定的时间周期内对样本进行试验，然后分析测试数据并拟合焊点的寿命分布，参见 [20]举例。
之后，应该对失效样本进行FA，了解失效的原因，见[21]中案例。这一信息对下面几项非常有用：
1、提供失效位置、失效模式和失效机理；
2、检验可靠性试验数据；
3、检验DFR模拟结果；
4、了解为什么失效和怎样处理失效（或做得更好）；
5、准备下一轮DFR和可靠性试验；并
6、选择加速模型、决定加速因子；因大多数可靠性试验被自然地加速。
焊点FA的通常分析方法如下：
外观检查
X射线透视检查
A-, B-, 和 C模式扫描超声显微镜分析（SAM）
染色与渗透技术
金相切片分析
高倍率显微镜分析
扫描电镜(SEM)分析
聚焦离子束(FIB) 和扫描电镜SEM 分析
能谱分析(EDX)
断层超声显微图像分析(TAMI)
其他分析
应该注意和强调的是：从DFR得到的可靠性与从可靠性试验中得到的可靠性（ 可能性） 是不同的。例如，可靠性试验得到的焊点寿命（失效处的循环数） 是根据失效百分比（或“幸存”焊点的百分比）来确定的。从统计观点看，可能存在的寿命会是一个无穷大数， 例如， 特征寿命对应于63.2%的失效（或32.8%幸存）。 从另一方面，我们能够做得最好的就是通过DFR，在给定的边界条件下，预计焊点的寿命。
从另一个例子来看， 可靠性试验中可以确定失效率（即，焊点分别在第一年、第二年、第三年等失效的数），然而，DFR甚至不知道失效率表示什么。
目前，无铅焊点的DFR [16-19] 日益变得与可靠性试验一样重要；即使它不能预计焊点的可靠性、失效率、平均失效时间等。DFR通常根据材料的结构性能、工程和物理规律建立数学模型来完成，其目的是：1、排除反复的可靠性试验；2、降低成本；3、减少设计/试验/FA的周期；4、缩短上市时间；且，5、提供对焊点的物理、化学、电子、机械和热性能的洞察力。例如，最大应力/应变位置——有助于在试验板设计图案上捕获到焊点最有可能失效的位置，并有助于FA找到这些失效场所。
焊料合金的材料性能
为了能够完成DFR和完全了解焊点可靠性工程技术，必须对SAC材料的性能（通过试验得到）有所了解和认识。焊料的一些重要的材料性能如下[6-11, 16-25]：
•相之间的转换温度（固相线、液相线、塑性范围以及共晶点）
•熔点
•沸点
•软化点
•变硬点
•密度
•可省约性
•玻璃化转变温度（Tg）
•热膨胀系数（CTE）
•蒸气压力
•表面张力
•储能模量
•损耗模量
•粘度
•可混合性
•电导率
•热导率
•应力－应变曲线
•剪切强度
•抗张力强度
•极限强度
•延伸率
•屈服强度
•杨氏模量
•泊松比
•蠕变曲线
•应力释放曲线
•蠕变率
•蠕变断裂
•应力强度因子
•黏弹性
•疲劳强度
•等温疲劳曲线
•疲劳裂纹生长曲线
•潮气吸收
•其他
例如， 无铅（SAC） 和锡铅(Sn37Pb）焊料合金的杨氏模量如图2所示[23]。可以看到，无铅焊料合金的模数比 Sn37Pb焊料合金的大。因此， 对于给定的几何结构图和边界条件， 人们应认为， 无铅焊点与Sn37Pb共晶焊点比较时，它具有较高的应力。
另一个例子，SAC 和Sn37Pb焊料在50℃ 时的蠕变响应如图3所示[24]。可以看到，Sn37Pb焊料的蠕变率大于SAC；结果是对于给定的几何结构图和边界条件，Sn37Pb焊点具有较快的蠕变响应和较高的蠕变张力。
焊点的成本、性能、质量和可靠性将受到焊点处焊料材料的性能(以上> 3 5项)影响。然而，应该再次强调， 焊点的可靠性不能由焊料的材料性能决定， 而是由可靠性试验决定。
