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SMT焊點中的空洞是問題嗎?

IPC焊料產品價值協會(SPVC)通過一項可靠性研究來確定在裝配、金相分析和基本特性、熱沖擊和溫度循環中,無鉛合金中的各種錫銀銅(SAC)合金的性能是否相當。SPVC的結論是三種SAC合金的性能相差不多,建議把SAC 305作為電子行業首選的無鉛合金。這項研究的另一個結果是,在對使用SAC無鉛焊膏的測試板進行分析時,檢查出有空洞。在測試電路板上把空洞標了出來,但沒有對它進行修補,在這種情況下,讓測試電路板經受熱沖擊和溫度循環??斩匆步洑v了熱沖擊和溫度循環,SPVC還對焊點中空洞進行比較。

關于焊點的爭論

  電子制造行業公認的是,通常在x光照片中看到的空洞,可能是把焊點劃作不合格的一個因素:特別是當空洞的大小超過焊點的25%時──尤其是在BGA里出現空洞的情況下。

  對于焊點中的空洞,電子裝配業一直存在爭議。隨著向無鉛的轉變,爭議越來越激烈。原因是無鉛焊點比錫鉛焊料更容易形成空洞;而且在SAC合金中,空洞的百分比要比其他無鉛合金高。

測試方案

  在IPC SPVC測試項目中使用兩種無鉛電路板進行測試:無鉛測試板A*和無鉛測試板B**。這兩種測試板所用的焊膏不是專門挑選的,但使用同樣的助焊劑。

  在無鉛測試板A*中,使用三種SAC合金焊膏裝配的所有電路板上都看到空洞,面積超過25%,其中,特別是間距為0.5mm的CSP84無鉛元件。用錫鉛合金裝配的電路板,明顯地存在空洞,但是,用錫鉛合金裝配的間距為0.5mm的CSP84元件上,空洞面積不到25%。

  在無鉛測試板B**上,在使用SAC合金裝配的所有電路板上都看到空洞面積超過25%。在電路板上,PBGA196、C-CSP224和晶片級封裝CSP8的空洞幾乎都超過的25%。

  為了確定空洞對焊點可靠性的影響,IPC SPVC采用的測試方案包括整個行業普遍認可的常規溫度循環和熱沖擊。對兩組測試板都進行了環境試驗,在測試期間,對它們的功能進行監測。測試板中包括兩家公司的電路板,每家公司的測試板有四組,每組四十塊,分別使用三種SAC焊料合金成分,以及一種低熔點(錫鉛)焊料,以便對比。每組都拿出一塊板來進行破壞性金相分析,這塊試驗板沒有參加溫度循環研究。

  所使用的溫度循環方案反映了IPC測試方法。這個溫度循環方案首先在低溫(0℃)保持十分鐘,然后,溫度緩慢上升至100℃,接著在這個高溫下保持十分鐘的時間,然后,漸漸回到低溫狀態。整個溫度循環通常大約需要60分鐘。循環時間與爐溫上升的時間和測試板溫度穩定過程有關。

  熱沖擊測試方案和JEDEC規定的很相似,它先在低溫(-55℃)保持五分鐘的時間,然后在高溫(125℃)保持十分鐘的時間,然后再回到低溫??偟难h時間大約在20分鐘左右。這個循環過程連續地重復進行。對兩組測試件的樣品,每組進行了500次溫度循環就進行金相分析。

測試結果

  在環境試驗后,這項研究對空洞的X射線分析結果進行了比較,比較了6000次溫度循環后的失效情況,熱沖擊,對失效的焊點和正常的焊點都進行金相檢查,并比較金相檢查的結果。從這些比較,并且用若干不同的統計方法來比較溫度失效數據和空洞位置和尺寸,我們可以清楚地看到,空洞不會對焊點的完整性產生任何影響。

  在每500次溫度循環之后,把電路板拿出來,對每塊電路板上的每個元件進行穿透性X射線成像。從這個圖像我們可以看到,在SAC合金焊點中的空洞遠遠比錫鉛合金焊點的多。就數量和大小而言,CSP84封裝焊點中的空洞比其他陣列封裝焊點的空洞多。使用經歷了溫度循環的封裝的剖面圖對空洞進行比較,我們看不到空洞與連接失效有什幺明顯的關聯。例如,在測試板A*的SAC 305焊點的剖面圖上看到大空洞,但是,這并不能說明這些空洞會致使連接失效——雖說這個封裝經歷了4500次溫度循環。

  在無鉛測試板A*上,對于間距為0.5mm的84個輸入/輸出CPS封裝,溫度循環引起的蠕變疲勞導致的焊點失效相當多,由此可以得到兩個參數,即威布爾斜率(β)和特征壽命(η)值。圖1是CSP84封裝失效分布的威布爾圖。威布爾分布說明SAC合金焊點的特征壽命比錫鉛焊點更長(SAC合金為4713到6810次溫度循環,錫鉛合金是1595次溫度循環)。然而,在沒有進行監測的電路板上,每500次溫度循環的穿透式X射線圖像和剖面圖表明SAC合金焊點里的空洞比SnPb焊點里的空洞明顯多很多,也大很多。正是由于這點,在進行了6000次溫度循環后用X射線對每個CSP84封裝進行檢查。我們試圖把空洞和出現失效的溫度循環次數關聯起來。圖2是威布爾值和η值。這些統計結果取自24個CSP84封裝和60個CSP84封裝,24個CSP84封裝是IPC SPVC可靠性測試的一部份,60個CSP84封裝是測試板A可靠性測試的一部份。在一個分析中,使用普通的再熔工藝進行裝配的SAC387焊點里有較大的空洞。然而,焊點的特征壽命并不存在特別明顯的差別。

結論

  我們根據IPC SPVC關于SAC合金可靠性研究項目所提供的數據,來比較SAC連接中的空洞和出現失效的溫度循環次數。我們用八種獨立的統計分析方法(盒狀圖、單向ANOM、主要效果圖、矩陣圖等)來比較空洞超出連接面積的25%對應的出現失效時的循環次數,也比較了空洞總數對應的出現失效的溫度循環次數??斩捶植寂c出現失效循環次數的比較結果表明空洞不會對焊點的可靠性產生影響。

  對焊點中空洞的數量和大小與溫度循環數據中連接失效進行了比較,結論是:沒有證據證明這類SAC合金焊點中的空洞會對焊點的可靠性產生影響。

  * Solectron公司提供的測試板A:160塊,是六層、厚度為93密耳的印刷電路板,上面有72個元件。

  ** Flextronics公司提供的測試板:160塊,是雙面印刷電路板,上面有260個元件。

文章分類: 技術支持
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