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| SMT |
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| 第3条留言
是在2007-12-13 16:53:17发表的 |
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无铅焊接脆弱性问题值得关注
最新研究显示，无铅焊接可能是脆弱的，特别是在冲击负载下容易出现过早的界面破坏，或者往往由于适度的老化而变得脆弱。脆化机理当然会因焊盘的表面处理而异，但是常用的焊盘镀膜似乎不能始终如一免受脆化过程的影响，这对于长时间承受比较高的工作温度和机械冲击或剧烈振动的产品来说，是非常值得关注的。
由于常用的可焊性表面涂层伴随着脆化的风险。然而，这些脆化机理的表现形式存在可变性，故为避免或控制这些问题带来了希望。
在电子行业内，虽然每家公司都必须追求各自的利益，但是在解决无铅焊接的脆弱性及相关的可靠性问题上，他们无疑有着共同的利害关系。
1 脆变问题的影响
微电子封装依赖焊接点在各色各样的组件之间形成稳健的机械连接和电气互联。散热问题、机械冲击或振动往往给焊接点带来很大的负荷。在过去几年里，业界针对无铅技术进行了大量的开发工作。
最新的报告提出了一些出乎意料的建议：脆变问题与Cu和Ni/Au电镀的焊盘表面都有关系。事实上，没有任何常用的可焊性表面敷层能够一直免受脆变问题的影响。
随着无铅焊接技术的实施，这种境况在微电子工业引起严重的可靠性关注。无论如何，脆变过程表现形式的可变性，某些脆变机理可以解释，并且有望加以控制。
简而言之，焊点上的机械应力来源于插件板上施加的外力或焊接结构内部的不匹配热膨胀。在足够高的压力下，焊料的蠕变特性有助于限制焊点内的应力。即使是一般的热循环，通常也要求焊点能经受得住每次热循环中引起蠕变的负荷，因此，焊盘上金属间化合物的结构必须经受得住焊料蠕变带来的负荷。在外加机械负荷的情况下，尤其是系统机械冲击引起的负荷，焊料的蠕变应力总是比较大，原因是这种负荷对焊点施加的变形速度比较大。因此，即使是足以承受热循环的金属间化合物结构，也会在剪力或拉力测试期间最终成为脆弱的连接点。
然而，这不一定是问题的直接决定性因素，因为外加机械负荷往往能够在设计上加以限制，使之不会引起太大的焊料蠕变，或者至少不会在焊接界面引起断裂。在这些测试中，从贯穿焊料的裂纹变成焊盘表面或金属间化合物的断裂，就是一种脆化的迹象。通常，显示脆性界面破裂而无明显塑性变形的焊接是许多应用的固有问题，这些应用中的焊点冲击负荷是可以预见的。在这些情况下，焊点内的能量几乎没有多少能够在断裂过程中散逸出去，因此焊点的结构自然容易出现冲击强度问题。
在某些应用中，一些脆变机理即使在CTE失配应力条件下也可以令焊点弱化，导致过早的焊点失效。即使在很小的负载下，金属间化合物中持续发展的空洞也会引起故障。
尽管与焊接Ni/Au镀膜焊盘有关的问题早已广为人知，但是最新观察结果却可能反映出如下所述的新现象。人们以往一直认为涂有OSP保护层、浸银、浸锡或焊料的Cu焊盘在这一点上是“比较安全”的，但即使对Sn-Pb焊料而言，这并不是表示退化机理全然不存在。事实上，Cu通过界面上的Cu3Sn和Cu6Sn5金属间化合物薄层迅速扩散，往往在Cu/Cu3Sn和/或 Cu,Sn/Cu6Sn5界面上形成Kirkendall空洞。这些空洞通常维持很低的密度，而且小得用光学显微镜也看不见，因此常不被视为有任何实际的意义。
最近，有关Cu焊盘上Sn-Ag-Cu焊点在高温老化过程中机械强度快速减弱的多项报告，在微电子封装领域引起了极大的轰动，这一后果似乎是由Cu,Sn/Cu界面的Kirkendall空洞生长而造成的，在标准老化条件(20天至40天100℃)下也能观察到大范围的空洞，使空洞成为了一个明显的实际问题，至少对承受很高的工作温度和机械冲击或振动的产品来说是值得关注的。事实上，显而易见的温度依赖性或许使我们想到，即使在相当适宜的工作条件下，产品也有可能在几年之内发生故障。该现象已经获得其他研究证实。不过，幸好这种脆化问题是可以避免的，环球仪器公司进行的初步实验没有再出现上述的空洞现象，而IBM所作的研究提出了焊接脆弱性与电镀批次的相关性。这些调查结果可能暗示杂质的影响。已经证明污染大大增加Kirkendall空洞的形成，因为杂质在金属间相的溶解度较低，所以被“清理”出来而骤然充当异源的空洞成核点。无论如何，不可排除的脆化因素还有亚微观孔隙或气泡，它们在回流过程中不知何故混入铜表面，继而成为空洞的藏匿之所。
此外，IBM还公布了另一个金属间化合物界面发生脆变的故障现象，该现象似乎与 Kirkendall空洞确实无关。在组装以后立即进行的焊球拉力测试显示，在Cu焊盘的金属间化合物范围内出现了界面缺陷，而且这一现象总是由于热老化而加剧。这究竟是否一个有实际意义的关注问题还有待于证实，因为与空洞现象不同的是，长时间的老化不一定令抗拉强度进一步降低。
焊接铜的唯一可取的成熟的替代选择大概是镍，为了防止氧化，人们通常在镍上镀一层金。有些报告指出，在化学镀Ni(P)膜与Sn-Pb焊料之间，长时间的反应也会在Ni表面的附近形成Kirkendall空洞。但是与铜相比，这似乎是一个不太可能发生的问题。根据一些报告显示，当元器件上Sn-Pb焊端对铜焊盘，补充给焊料时，脆化过程变得更为复杂：三元合金(Cu，Ni)6Sn5层积聚在 Ni3Sn4(在镍表面上形成的)之上。
在这种情况下，老化在Ni3Sn4/(Cu，Ni)6Sn5界面形成空洞。使用Sn-Ag-Cu焊料焊接镍预料会发生类似的问题，因为这种焊料合金中有现成的铜源。
所谓的“黑盘”(black pad)现象是一个广泛认同与脆化有关的独特现象，特别是关系到化镍浸金(ENIG)。事实上，“黑盘”现象可算得上一个无处不在的术语，它涉及许多在Ni(P)/Ni3Sn4界面上或附近的焊点断裂有关的现象。最主要的是指在浸金过程中，由于过度腐蚀而使Ni(P)表面缺乏可焊性，但是常常也包括不同的合金或合金化合物在界面附近产生的作用。“黑盘”通常指一种“时间零点”现象，反映在焊接点焊盘之上或附近，出现明显的脆弱性，或仅仅降低机械耐疲劳强度。不管怎样，有害的“黑盘”效应也可能关联着另一种脆化机理。根据这种机理，看上去很完美的金属间化合物结构会随着时间的推移而退化。这第二个脆化机理好像涉及Ni3Sn4的增加，由此而引起P富集，在下面形成Ni3P，并在二者之间生成一种三元相。
镍层上通常电镀了一层金，采用这个方法的问题是制造公差要求将镀金层的厚度控制在0.63μm至1.3μm之间。
在产品使用过程中，这可能会因最大负荷等因素而出现问题。研究表明，在回流过程中溶入于Sn-Pb焊料的金，竟会在以后的老化过程中逐渐返回镍表面，并导致该表面的 Ni3Sn4金属间化合物上积聚一层(Ni，Au)Sn4。如此产生的界面，其机械强度是不稳定的，而且随(Ni，Au)Sn4厚度的增加而继续减小。在Sn-Ag-Cu焊接所需要的较高回流温度下，镍溶解度的增加可能有助于稳定焊点中Ni-Au-Sn三元沉淀物的金。Qualcomm最近公布的跌落测试(drop testing)观察中，发现Ni/Au镀层上的Sn-Ag-Cu CSP焊点在“时间零点”断裂，此问题通过降低回流温度和缩短回流时间得以缓解或消除。
这些报告的作者把脆性断裂归咎为Ni3Sn4与(Cu，Ni)6Sn5敷层不匹配，但根据另一些试验显示，在(Ni，Cu)3Sn4表面上涂镀一层厚度相同的(Cu，Ni)6Sn5通常看来是稳定的。
2 控制脆化过程
在过渡至无铅焊接工艺时，电子工业看来面对着焊点脆断的风险，而且所有常用的焊盘表面镀层均无一幸免。
在ENIG焊盘上引起金属间化合物结构脆变的“黑盘”效应和老化过程，似乎对Sn- Ag-Cu焊接比Sn-Pb焊接更为关键。无铅焊接应避免或减少与Ni/Au电镀涂层中Au厚度增大有关的脆化过程。然而，用 Sn-Ag-Cu焊接镍焊盘经常导致Ni3Sn4层上积聚(Cu，Ni)6Sn5。如此形成的一些结构在装配之后会脆断，而且在某些情况下即使采用Sn-Pb焊料，(Cu，Ni)6Sn5结构老化也会导致难以克服的空洞和多孔缺陷。
大范围的Kirkendall空洞往往可以在正常老化过程之后弱化Cu焊盘上的Sn-Ag-Cu焊点，而且甚至在没有老化的条件下也发现了一种表面上独立的脆化机理，当然这种脆变继续随着老化而趋于恶化。
初步结果提示了脆化与电镀批次的相关性，但是预计材料(如焊料、助焊剂、焊膏、焊盘敷层、电镀参数)和工艺参数(如回流曲线和环境、焊料与焊盘氧化和污染、焊盘结构、焊膏量)等因素也很重要。
总括来说，大多数脆化机理的可变性确实带来了希望，至少有一些脆化过程也许是可以避免或控制的。
图1：经过1000小时150℃后的Sn-Ag-Cu焊球与Cu焊盘界面。Kirkendall空洞一般见于Cu/Cu3Sn界面的Cu3Sn相。显微照片显示在老化过程结束时的最坏情况。
图2：两个实验经过同样的老化试验(1000小时150℃)后，在Sn-Ag-Cu焊球与Cu焊盘之间形成的BGA焊点界面。这两个样本是用两个电镀批次，但是回流采用的焊球膏量、助焊剂量、回流曲线和环境、回流炉和实验日期均相同。
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| 除湿机 |
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| 第2条留言
是在2007-8-28 9:12:38发表的 |
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| 创益 |
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| 第1条留言
是在2007-3-6 15:03:52发表的 |
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请问怎样测温度曲线?
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站长回复:“正确的温度曲线将保证高品质的焊接锡点。”
约翰.希罗与约翰.马尔波尤夫(美)
在使用表面贴装元件的印刷电路板(PCB)装配中，要得到优质的焊点，一条优化的回流温度曲线是最重要的因素之一。温度曲线是施加于电路装配上的温度对时间的函数，当在笛卡尔平面作图时，回流过程中在任何给定的时间上，代表PCB上一个特定点上的温度形成一条曲线。
几个参数影响曲线的形状，其中最关键的是传送带速度和每个区的温度设定。带速决定机板暴露在每个区所设定的温度下的持续时间，增加持续时间可以允许更多时间使电路装配接近该区的温度设定。每个区所花的持续时间总和决定总共的处理时间。
每个区的温度设定影响PCB的温度上升速度，高温在PCB与区的温度之间产生一个较大的温差。增加区的设定温度允许机板更快地达到给定温度。因此，必须作出一个图形来决定PCB的温度曲线。接下来是这个步骤的轮廓，用以产生和优化图形。
在开始作曲线步骤之前，需要下列设备和辅助工具：温度曲线仪、热电偶、将热电偶附着于PCB的工具和锡膏参数表。可从大多数主要的电子工具供应商买到温度曲线附件工具箱，这工具箱使得作曲线方便，因为它包含全部所需的附件(除了曲线仪本身)。
现在许多回流焊机器包括了一个板上测温仪，甚至一些较小的、便宜的台面式炉子。测温仪一般分为两类：实时测温仪，即时传送温度/时间数据和作出图形；而另一种测温仪采样储存数据，然后上载到计算机。
热电偶必须长度足够，并可经受典型的炉膛温度。一般较小直径的热电偶，热质量小响应快，得到的结果精确。
有几种方法将热电偶附着于PCB，较好的方法是使用高温焊锡如银/锡合金，焊点尽量最小。
另一种可接受的方法，快速、容易和对大多数应用足够准确，少量的热化合物(也叫热导膏或热油脂)斑点覆盖住热电偶，再用高温胶带(如Kapton)粘住。
还有一种方法来附着热电偶，就是用高温胶，如氰基丙烯酸盐粘合剂，此方法通常没有其它方法可靠。 附着的位置也要选择，通常最好是将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间。
(图一、将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间)
锡膏特性参数表也是必要的，其包含的信息对温度曲线是至关重要的，如：所希望的温度曲线持续时间、锡膏活性温度、合金熔点和所希望的回流最高温度。
开始之前，必须理想的温度曲线有个基本的认识。理论上理想的曲线由四个部分或区间组成，前面三个区加热、最后一个区冷却。炉的温区越多，越能使温度曲线的轮廓达到更准确和接近设定。大多数锡膏都能用四个基本温区成功回流。
(图二、理论上理想的回流曲线由四个区组成，前面三个区加热、最后一个区冷却)
预热区，也叫斜坡区，用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度。在这个区，产品的温度以不超过每秒2~5°C速度连续上升，温度升得太快会引起某些缺陷，如陶瓷电容的细微裂纹，而温度上升太慢，锡膏会感温过度，没有足够的时间使PCB达到活性温度。炉的预热区一般占整个加热通道长度的25~33%。
活性区，有时叫做干燥或浸湿区，这个区一般占加热通道的33~50%，有两个功用，第一是，将PCB在相当稳定的温度下感温，允许不同质量的元件在温度上同质，减少它们的相当温差。第二个功能是，允许助焊剂活性化，挥发性的物质从锡膏中挥发。一般普遍的活性温度范围是120~150°C，如果活性区的温度设定太高，助焊剂没有足够的时间活性化，温度曲线的斜率是一个向上递增的斜率。虽然有的锡膏制造商允许活性化期间一些温度的增加，但是理想的曲线要求相当平稳的温度，这样使得PCB的温度在活性区开始和结束时是相等的。市面上有的炉子不能维持平坦的活性温度曲线，选择能维持平坦的活性温度曲线的炉子，将提高可焊接性能，使用者有一个较大的处理窗口。 回流区，有时叫做峰值区或最后升温区。这个区的作用是将PCB装配的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。活性温度总是比合金的熔点温度低一点，而峰值温度总是在熔点上。典型的峰值温度范围是205~230°C，这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过每秒2~5°C，或达到回流峰值温度比推荐的高。这种情况可能引起PCB的过分卷曲、脱层或烧损，并损害元件的完整性。
今天，最普遍使用的合金是Sn63/Pb37，这种比例的锡和铅使得该合金共晶。共晶合金是在一个特定温度下熔化的合金，非共晶合金有一个熔化的范围，而不是熔点，有时叫做塑性装态。本文所述的所有例子都是指共晶锡/铅，因为其使用广泛，该合金的熔点为183°C。
理想的冷却区曲线应该是和回流区曲线成镜像关系。越是靠近这种镜像关系，焊点达到固态的结构越紧密，得到焊接点的质量越高，结合完整性越好。
作温度曲线的第一个考虑参数是传输带的速度设定，该设定将决定PCB在加热通道所花的时间。典型的锡膏制造厂参数要求3~4分钟的加热曲线，用总的加热通道长度除以总的加热感温时间，即为准确的传输带速度，例如，当锡膏要求四分钟的加热时间，使用六英尺加热通道长度，计算为：6 英尺 ÷ 4 分钟 = 每分钟 1.5 英尺 = 每分钟 18 英寸。
接下来必须决定各个区的温度设定，重要的是要了解实际的区间温度不一定就是该区的显示温度。显示温度只是代表区内热敏电偶的温度，如果热电偶越靠近加热源，显示的温度将相对比区间温度较高，热电偶越靠近PCB的直接通道，显示的温度将越能反应区间温度。明智的是向炉子制造商咨询了解清楚显示温度和实际区间温度的关系。本文中将考虑的是区间温度而不是显示温度。表一列出的是用于典型PCB装配回流的区间温度设定。
表一、典型PCB回流区间温度设定
区间 区间温度设定 区间末实际板温
预热 210°C(410°F) 140°C(284°F)
活性 177°C(350°F) 150°C(302°F)
回流 250°C(482°C) 210°C(482°F)
速度和温度确定后，必须输入到炉的控制器。看看手册上其它需要调整的参数，这些参数包括冷却风扇速度、强制空气冲击和惰性气体流量。一旦所有参数输入后，启动机器，炉子稳定后(即，所有实际显示温度接近符合设定参数)可以开始作曲线。下一部将PCB放入传送带，触发测温仪开始记录数据。为了方便，有些测温仪包括触发功能，在一个相对低的温度自动启动测温仪，典型的这个温度比人体温度37°C(98.6°F)稍微高一点。例如，38°C(100°F)的自动触发器，允许测温仪几乎在PCB刚放入传送带进入炉时开始工作，不至于热电偶在人手上处理时产生误触发。
一旦最初的温度曲线图产生，可以和锡膏制造商推荐的曲线或图二所示的曲线进行比较。
首先，必须证实从环境温度到回流峰值温度的总时间和所希望的加热曲线居留时间相协调，如果太长，按比例地增加传送带速度，如果太短，则相反。
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