无铅焊点可靠性分析与经典案例
无铅焊点可靠性分析
无铅焊点可靠性分析单位：姓名：时间：无铅焊点可靠性分析摘要：主要介绍了Sn-Ag-Cu合金焊接点发生失效的各种表现形式，探讨失效发生与影响可靠性的各种原因及如保在设计及制程上进行改进以，改善焊点的可靠性，提高产品的质量。
关键词：焊点；失效；质量；可靠性前言：电子产品的“轻、薄、短、小”化对元器件的微型化和组装密度提出了更高的要求。
在这样的要求下，如何保证焊点质量是一个重要的问题。
焊点作为焊接的直接结果，它的质量与可靠性决定了电子产品的质量。
也就是说，在生产过程中，组装的质量最终表现为焊接的质量。
目前，环保问题也受到人们的广泛关注，在电子行业中，无铅焊料的研究取得很大进展，在世界范围内已开始推广应用，无铅焊料与有铅焊料相比，其润湿性差、焊接温度，形成的焊点外观粗糙等不利因素。
因此对其焊点品质也是一个大家很关注的问题。
中将就Sn-Ag-Cu焊料合金的焊点质量和可靠性问题进行探讨。
一、无铅焊点的外观评价在印刷电路板上焊点主要起两方面作用。
一是电连接，二是机械连接。
良好的焊点就是应该是在电子产品的使用寿命周期内，其机械和电气性能都不发生失效。
良好的焊点外观表现为：（1）良好的润湿；（2）适当的焊料，完全覆盖焊盘和焊接部位；（3）焊接部件的焊点饱满且有顺畅连接的边缘；二、寿命周期内焊点的失效形式产品在其整个寿命期间内各个时期的故障率是不同的, 其故障率随时间变化的曲线称为寿命的曲线, 也称浴盆曲线（见下图）如上图所示，产品寿命的曲线总共分为三个阶段早期故障期，偶然故障期，耗损故障期。
1）、早期故障期：在产品投入使用的初期，产品的故障率较高，且具有迅速下降的特征。
这一阶段产品的故障主要是设计与制造中的缺陷，如设计不当、材料缺陷、加工缺陷、安装调整不当等，产品投入使用后很容易较快暴露出来。
可以通过加强质量管理及采用筛选等办法来减少甚至消灭早期故障。
2）、偶然故障期：在产品投入使用一段时间后，产品的故障率可降到一个较低的水平，且基本处于平稳状态，可以近似认为故障率为常数，这一阶段就是偶然故障期。
无铅焊点的可靠性及其验证试验
无铅焊点的可靠性及其验证试验编辑: panda-liu无铅焊点的可靠性及其验证试验by John H. Lau Agilent Technologies, Inc. EMA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]。
无铅焊点可靠性及验证试验
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结 合 目前 的生 产情 况 ， 考 在 该 领 域处 于领 先 参
个 影 响 电气 系统 整 体 寿 命 的 次要 因素 ， 当使 用 国外 地 位 的安捷 伦 、 创力 、 电 、 为 的研究 模式 ， 论 伟 旭 华 讨 进 口的纯 锡 镀层 无 铅 器 件 时 ， 器 件 焊点 可 能 会 在 采 用有 铅焊 料 焊接 无 铅器 件形 成 的无 铅焊 点 的可 靠 该 ５ａ内 因 锡 须 的 生 长 而 短 路 失 效 ， ０ ０年 发 生 的 性及 验证 试验 的相 关 内容 。 ２０
１ 焊 点 的可 靠 性
足 、 度 曲线设 置 不 当等 问题 。就无铅 焊接 而 言 ， 温 再
流焊 工 艺 温度 曲线 的 优化 至 为 重要 ， 良的工艺 既 优
焊点 的可 靠性 定义 为 焊点 在规 定 的时 间和条 件 可保 证 形 成 高 可靠 性 的焊接 ， 可保 持尽 可 能 低 的 又 下， 完成规定功能而不失效 的能力 。 峰值 温度 。手 工 焊接 工艺 中 ， 键 问题是 焊接 温度 、 关 搪锡 与否 、 接 时间等 的控 制 ， 焊 手工 焊 的焊接参 数漂 移较 大 ， 人为 因素 占很 大 比重 ， 手 工焊接 在 局部返 但
无铅焊料表面贴装焊点的可靠性
无铅焊料表面贴装焊点的可靠性新闻推荐相关评论无铅焊料表面贴装焊点的可靠性Reliability of SMT welding spot■上海微系统与信息技术研究所肖克罗乐由于Pb对人体及环境的危害，在不久的将来必将禁止Pb在电子工业中的使用。
为寻求在电子封装工业中应用广泛的共晶或近共晶SnPb钎料的替代品，国际上对无Pb钎料进行了广泛研究。
其中，共晶SnAg和共晶SnAgCu钎料作为潜在的无Pb钎料，具有剪切强度、抗蠕变能力、热疲劳寿命好等特点。
在焊接过程中，熔融的钎料与焊接衬底接触时，在界面会形成一层金属间化合物（IMC）。
其形成不但受回流焊接过程中温度、时间的控制，而且在后期的服役过程中其厚度也会随着时间的延长而增加。
研究表明界面上的金属间化合物是影响焊点可靠性的一个关键因素。
过厚的金属间化合物层会导致焊点断裂韧性和抗低周疲劳能力下降，从而导致焊点可靠性的下降。
由于无铅焊料和传统的SnPb焊料的成分不同，因此它和焊接基板如Cu、Ni和AgPd 等的反应速率以及反应产物就有可能不同，从而表现出不同的焊点可靠性。
本所全面而系统地研究了Sn96.5Ag3.5、Sn95.5Ag3.8Cu0.7和Sn95Sb5等无铅焊料和多种基板及器件所形成表面贴装焊点的可靠性，现就一些研究成果做一简要介绍。
无铅焊料与Au/Ni/Cu焊盘所形成焊点的可靠性实验选用的表面贴装元件为1206型陶瓷电阻。
FR4印刷电路板上的焊盘结构为Cu/Ni-P/Au，其中，Ni-P层厚度为5mm，P含量为12 at%。
所用焊料为以上几种无铅焊料以及62Sn36Pb2Ag。
用剪切强度测试方法考察焊点在150℃时效过程中的可靠性。
图1为SnAg/Ni-P/Cu焊点的扫描电镜照片。
在SnAg/Ni-P界面发现有Ni3Sn4生成，其厚度随时效时间而增加。
SnAg焊点由Sn基体与镶嵌于其中的Ag3Sn颗粒组成，在界面附近有少量的片状Ni3Sn4，这是由于在回流过程中溶于焊料中的Ni在其后的冷却过程中析出而形成。
无铅焊料表面贴装焊点的可靠性
在回流及时效过程中，焊料与 Ｎｉ ．
Ｐ层 间会 发生互 扩 散 ，在 界 面形成 金属 因此它 和焊 接 基板 如 Ｃ ｕ、Ｎｉ Ａｇ ｄ 和 Ｐ
间的延 长 而下 降 ， １ ０ ｈ 效后 ， 经 Ｏ０ 时 其 间化合 物 。 ． Ｎｉ Ｐ与 Ｃ 基 体之 间 的结合 ｕ 强 度下 降 ２ ％。 Ｓ Ａ 焊 点在 时效 初 强 度 主要是 通过 Ｎｉ ９ 而 ｎ ｇ ． Ｐ在 化学 镀过 程 中 期， 其强 度 比 Ｓ Ｐ Ａｇ 点高 ， ２ ０ 填 充 Ｃ ｎｂ 焊 但 ５ｈ ｕ表面 的微小 凹坑 互相 咬合 和通 时效后， 焊点 强 度剧 烈下 降 。时效结 束 过原 子间作 用力 而得 到 的。在 ４ ０ ０ ℃以
接 过程 中温 度 、时间 的控 制 ， 且在 后 察 焊点 在 １ ０ Ｃ 而 ￣ 时效 过 程中 的可靠 性 。 ５
期 的服 役 过 程 中其 厚 度 也 会 随 着 时 间
图 １ Ｓ ｇ ｉ ／ｕ焊点 的扫描 为 ｎ ｍ ．Ｃ Ａ Ｐ
Ａ ｎ ｉ ｇｉｇｔ ｍｅ（ ） ｈ
Ａ ｎ ／ ． Ｐ 的延长 而增 加 。 研究 表 明界 面上 的金 属 电 镜 照 片。在 Ｓ ｇＮｉ 界 面 发现 有
图 ２ Ｓ Ｐ Ａｇ和 Ｓ Ａ ｎｂ ｎ ｇ焊点的剪切
强度与 时效时间的 关系
。
．
ｉＳ ４ 间化合物是影响焊点可靠性的一个关 Ｎ ３ ｎ 生 成 ，其厚 度随 时 效时 间而 增 Ｓ Ａ 焊 ｎ 键 因素 。 厚 的金属 间 化合 物层 会导 致 加 。 ｎ ｇ 点 由 Ｓ 基 体与 镶嵌 于其 中 过 焊 点 断裂 韧性 和 抗低 周 疲劳 能 力下 降 ， 的 Ａ ３ ｎ 粒组 成 ， 界面 附近有 少量 ｇ 颗 Ｓ 在
无铅焊接的质量和可靠性分析
无铅焊接的质量和可靠性分析无铅焊接是一种替代传统铅焊接的技术，在电子制造业中越来越受欢迎。
它被广泛应用于手机、计算机、汽车电子等领域，并在一定程度上改善了环境和健康安全问题。
本文将对无铅焊接的质量和可靠性进行分析。
首先，无铅焊接的质量主要取决于焊接接头的可靠性。
与传统的铅焊接相比，无铅焊接在焊接接头的物理性能上存在一些差异。
无铅焊料的熔点较高，焊接温度也相应提高，这可能导致焊接接头出现焊缺、毛刺和冷焊等问题。
因此，在无铅焊接的过程中，需要严格控制焊接的温度和时间，确保焊缝的完整性和连接的可靠性。
其次，无铅焊接的质量还与焊接材料的选择和焊接工艺的优化有关。
无铅焊料种类繁多，包括有机铅、无铅合金等。
正确选择合适的焊料是保证焊接质量的关键。
此外，优化的焊接工艺可以提高焊接接头的可靠性。
例如，合理调整焊接参数、采用预热和后热等措施可以减少焊接应力和应变，提高焊接质量。
关于无铅焊接的可靠性，一些研究已经针对其使用寿命和耐久性进行了分析。
无铅焊接与铅焊接相比，无铅焊接的接头强度和耐久性较差。
然而，通过合适的设计和工艺控制，可以提高焊接接头的可靠性。
例如，结构设计上的考虑、扬声器布置等可减少焊接接头的应力集中，增强接头的耐久性。
此外，研究者还发现适当增大焊料的量，以及利用辅助材料（如球墨铸铁）等措施可以增加焊接接头的寿命。
综上所述，无铅焊接的质量和可靠性与焊接接头的设计、焊接材料的选择和焊接工艺的优化密切相关。
通过合理控制焊接参数，采取适当的焊接工艺和辅助措施，可以有效提高无铅焊接的质量和可靠性。
然而，仍需要进一步研究和改进，以推动无铅焊接技术的发展和应用。
接着上文所述，下面将继续探讨无铅焊接的质量和可靠性的相关内容。
除了焊接接头的可靠性外，无铅焊接的质量还与焊接过程中产生的焊接缺陷有关。
无铅焊接常见的缺陷包括焊接裂纹、焊接虹吸缺陷和焊接气孔等。
这些缺陷可能导致焊接接头的破裂或失效，降低焊接质量和可靠性。
因此，在无铅焊接过程中，及时检测和修复焊接缺陷是保证焊接质量的重要步骤。
无铅焊及焊接点的可靠性实验
无铅焊及焊接点的可靠性实验（1、株式会社力世科，东京都日野市日野本町1－15－17街191－0011；2、上海市虹桥路2328弄2号楼504室，200336）摘要：随着电子装置的小型化的发展，欧盟（EU.）的WEEE和RoHS提出禁止使用Sn－Pb焊锡。
这将导致一系列的工业革新，如部件体积和重量的减少，各种各样无铅产品的出现，改变现有的焊接生产线等。
参照国际标准（IEC，ISO）和日本国家标准（JIS），并根据这些标准做了一系列的试验，通过试验对无铅焊润湿性、强度、耐久性等可靠性的评价方法进行说明。
关键词：无铅焊，润湿性，接触角，耐久性中图分类号：T605 文献标识码：A 文章标码：1004－4507（2005）12－0051－05手机、数字照相机、笔记本电脑等产品的小型化、轻量化发展的同时，欧盟出台了关于废弃电气电子仪器（WEEE：Waste El ectrical and Electronic Equipment）法案及特定有害物质的使用限制（RoHS：Restriction of the use of certain Hazardous Substances）之规定。
即，2006年7月1日之后，对在电子仪器及封装业中，广泛使用的，不可缺的Sn－Pb系列焊锡将全面禁止。
为此，在电子产业界，对封装部件的小型化，无铅焊锡的开发，生产线的变更等等技术改造和变革将迫在眉睫。
本文将依据国际标准IEC、ISO、JIS，通过实际测量结果，对无铅焊的润湿性、强度、耐久性等可靠性的评价方法进行说明。
1 各种标准（无铅焊相关的）对Sn－Pb系列焊锡，我们有各种各样的标准。
无铅焊从定义、种类、组成等也有其对应的IEC、ISO、JIS等国际标准，并正在进一步完善。
如各标准对无铅的定义（铅的含量）、种类的一致性也还在进行调整，在日本国内使用的JIS标准，于2004年3月与IEC标准也进行了一致性的调整（例焊锡试验方法（平衡法）JIS C 0053→JIS C 60068－2－54）。
无铅焊点可靠性评价技术
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通常引用的Testing Specifications
-40~125oC, one hour per cycle
升／降温速率(1...10K/min)的温度循环 Dwell Time停留时间 t1=15...30 min.
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1
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主要内容
v v v v
可靠性绪论 焊点可靠性评价的内容 可靠性评价案例分析 可靠性检测方法介绍
2
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1.外观及表面检查 2.金相切片分析 3. 焊点强度测试 4.染色试验
A-3
Vibration Test （振动试验 ）
无铅PCBA（3） 有铅PCBA（3）
A-4
通过可靠性试验后
无铅PCBA与 有铅PCBA
4.PCBA 功能测试
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1.3 焊点可靠性的主要研究内容
n
n
n
可靠性设计DFR： 依据IPC-D-279等类似的DFR规 范，输入焊点寿命、失效率等要求和产品使用温度变化 范围（△T）等，结合基础数据库，进行电气的、机械 的、热学的等模型来推算焊点和组装寿命，再与产品的 可靠性要求比较，通过重新设计或修改来保证设计的可 靠。 可靠性测试和寿命数据分析Reliability Test and Data Analysis：可靠性设计的水平，需要选取一定数量的样 品，在能够模拟或者可加速的环境下进行可靠性测试， 获得样品的失效分布情况。通过对失效分布的分析，就 可得到产品或焊点的可靠性数据。 失效分析Failure Analysis： 对可靠性测试中出现的失 效进行分析，找出失效的root cause，以便于开展下一 个DFR、RT循环。
军用电子模块无铅焊点可靠性分析
军用电子模块无铅焊点可靠性分析作者：展亚鸽来源：《科学与财富》2020年第11期摘要：电子产品中焊点的可靠性直接关系到产品的使用寿命，但目前无铅焊点的可靠性还存在观望或争议，由于军用电子产品使用场合和使用环境的特殊性，对无铅材料及无铅制造的使用还在调研阶段。
从无铅焊点可靠性实验验证和利用有限元分析对焊点力学性能、疲劳寿命方面来研究无铅焊点可靠性，对军用电子产品无铅化实施具有重要的理论价值和实际意义。
关键词：电子焊接;可靠性;无铅焊接随着科学技术的飞速发展，表面组装技术（SMT：Surface Mount Technology）作为新一代的电子装联技术已经渗透到经济的各个领域。
由于SMT技术具有使电子产品微型化、薄型化、轻量化、容易实现自动装配以及降低生产成本等一系列优越性，在技术发达国家已部分乃至完全替代了传统的电子元器件通孔安装技术（THT：Through Hole Technology），使电子装联技术发生了根本性的、革命性的变革。
目前，SMT正朝着高密度、高精度、更高可靠性、多样化和“绿色”组装方向迅速发展。
在采用 SMT 技术进行互联的电子产品中，元器件与印制电路板（PCB：Printed Circuit Board）之间主要是通过焊点来实现互联的，焊点既起到机械支撑又起到电气互联的作用，焊点的可靠性直接关系到 SMT 产品的使用寿命。
目前，在失效的微电子产品中，焊点失效是主要原因。
焊点的失效一方面来源于生产装配工序中的焊接故障。
其中，最为常见的是钎料桥连、虚焊、焊接处形成焊珠、立碑等故障;其次当环境温度或通断电状态变化时，由于基板和元件材料的热膨胀系数的差别，导致钎料产生粘性行为，出现蠕变损伤。
还有是在使用过程中，由于不可避免的冲击、振动等造成焊点的机械损伤。
另外在振动、热循环及湿热等外界环境因素影响下，导致焊点内无法避免地发生交变的弹塑性应变及蠕变，由于反复的应变积累使得焊点出现疲劳失效。
3-1-无铅焊接可靠性讨论
Typical Good Wetting Visible Fillet
Reduced Wetting No Visible Fillet
润湿好
润湿减少
焊缝起翘
扰动焊点
热撕裂与收缩孔
无铅焊点外观粗糙不是缺陷
是Sn-Ag-Cu合金凝固特性
Sn-Ag-Cu合金凝固特性 导致无铅焊点颗粒状外观粗糙
Sn-Pb37共晶组织 Sn-Pb结晶彼此都能在某种程度上
(b) 要求低热膨胀系数CTE
当焊接温度增加时，多层结构PCB的Z轴与XY方向的层压 材料、玻璃纤维、以及Cu之间的CTE不匹配，将在Cu上产生 很大的应力，严重时会造成金属化孔镀层断裂而失效。这是 一个相当复杂的问题，因为它取决于很多变量，如 PCB层数、 厚度、层压材料、焊接曲线、以及Cu的分布、过孔的几何形 状（如纵横比）等。
二. 从无铅焊接“三要素” 分析无铅焊接的特点
(一) 无铅焊接“三要素”
• 无铅焊料合金 • PCB焊盘 • 元件焊端表面镀层
1. 目前应用最多的无铅焊料合金
• 目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料是三元共晶或近共晶形式的 Sn-Ag-Cu焊料。Sn(3~4)wt%Ag(0.5~0.7)wt%Cu是可接受的范围， 其熔点为217℃左右。 • 美国采用Sn3.9Agwt%0.6wt%Cu无铅合金
• • • • •
Cu扩散到Sn中形成Cu6Sn5，对Sn产生压力； CTE 不匹配； 机械负载； 振动冲击； Sn沿着有缺口的氧化层处被挤出形成Sn须。
防止Sn须的方法
（1）镀层合金化
• 在Sn中添加Pb、Ag、Bi、Cu、Ni、Fe、Zn等金属元素可 以有效抑制Sn晶须生长。目前日本、韩国的无铅元件焊端 和引脚有采用Sn-Bi或Sn-Ni镀层。
无铅组装可靠性和失效分析方法
z 入射电子于样品表面互相作 用，产生背散射电子和二次 发射电子。
z 只要样品表面发射的两种电 子的一种，即可得到电子扫 描的图象。
第26页
失效分析－扫描电镜电子束特点
z 入射电子束与样品表面作 用，将产生多种特征电子 束。
和面分析； z 点分析得到一点的所有元素； z 线分析每次对指定的一条线做一
种元素分析，多次扫描得到所有 元素的线分布； z 面分析对一个指定面内的所有元 素分析，测得元素含量是测量面 范围的平均值。
第30页
失效分析－电子探针EDX特点
z 主要用于元素的定性分析； z 能谱仪能够分析原子序数大于11的元素，波谱仪
可以分析原子序数从4～92之间的所有元素； z 电子探针的分析方式有点分析、线分析和面分
析； 电子探针做微区分析时所激发的体积为 10um3 左右； z 电子探针与SEM结合，可对目标部位进行点、 线、面形貌扫描和成分分析； z 电子探针的定量分析精度较低。
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失效分析－电子探针EDX应用
第32页
文件
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可靠性检测－元器件焊点的温度循环
测试方法通常由客户指定，IPC-9701有推荐 如JESD22-A104-B Condition C 高温 125℃ 低温 -40℃ 周期 1小时
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温度循环参数
-40 <-> 125oC, 1 时 个 环
第35页
可靠性检测－元器件焊点热冲击
◆热冲击比热循环在焊点 内部产生更大的应力
声波传入试样；
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失效分析－切片断面观察
第23页
失效分析－断面分析
无铅PCB坑裂失效案例
坑裂失效案例分析中国赛宝实验室可靠性研究分析中心邱宝军1 前 言随着电子产品环保要求的不断提高，电子制造业已经基本实现无铅化制造，电子产品的关键器件PCB 基板也向无卤等快速发展，PCB基板的无卤化必然带来包括阻燃剂，固化剂等在内的关键材料发生变化，从而引发PCB内部树脂和玻璃纤维之间结合力的变化。
无铅工艺更高的焊接温度，无铅焊点较有铅焊点更硬，从而引起焊接过程中热应力更大，由此引发焊点下PCB内发生开裂，最终导致产品失效。
本文以案例的形式，介绍了PCB坑裂失效基本形貌，并对导致坑裂失效的原因进行了探讨，给广大的读者以参考。
2 案例背景某手机整机制造单位提供的5pcs失效品，失效均发生在BGA位置，其中1＃～3＃样品的失效现象表现为不开机，4＃和5＃样品的失效现象为按着CPU可开机，放手就不开机，失效比例较高，达到了10%以上。
现要求对失效的原因进行分析。
3 分析过程显然，从失效样品描述的信息看，样品失效比例很高，因此导致样品失效的原因应该是某种固定的缺陷，而非随机失效。
其次，由于失效位置固定在BGA位置，则确定BGA位置何种失效模式，并确定失效位置是整个失效分析的核心。
由于BGA器件结构的特殊性，所有的电连接部分都在器件下面，无法直接观察，因此，分析的基本思路是首先利用X-ray等无损手段对失效样品进行测试，寻找可能的失效特征，然后根据无损检测的结果，进行分析判断，预估其可能的原因，接下来利用金相切片等手段对故障的模式进行确认。
3.1 X射线检测利用X-ray测试设备对失效的BGA器件部位进行测试，结果发现部分失效样品BGA位置存在焊盘浮起现象，结果见图1红色箭头标识位置。
显然，BGA焊盘浮起可能导致焊点开裂或PCB线路断裂，最终导致产品失效。
图1 导通孔周围及导线表面腐蚀照片3.2 染色渗透试验对1＃失效品的BGA焊点进行染色渗透试验。
试验后分离器件与PCB，观察发现：大量的焊点存在明显的染色渗透现象。
无铅焊点的可靠性和工艺控制
无铅焊点的可靠性和工艺控制作者：曾睿州, KIC International Sales, Inc.薛竞成, CCF Engineering & Management Consulting Services前言PCBA电子组装工艺基本上是热处理工艺。
组装过程中热的处理，如果和所选材料、PCBA工艺设计、以及焊接工艺不能配合的话，可能造成产品质量的下降，甚至造成对焊点的破坏。
要减少这方面的风险，我们需要对热处理所可能造成的问题进行仔细的了解和分析。
当铅在无铅技术的要求下被从焊料、器件焊端、以及PCB焊盘上被除去的同时，整个组装工艺和焊点的可靠性上也出现了明显的变化。
除此之外，在工艺设计和工艺原理上，无铅技术基本上没有带来太大的影响，许多锡铅时代的做法依然不变。
不过由于新无铅材料特性上不像锡铅材料那么具有容忍性，这些工作在无铅技术中都要求做得比较全面和深入。
种类繁多的无铅材料，给焊接工艺以及可靠性研究工作带来很多不便。
我们不可能，也没有意向在本文中有效的来解说某一焊接系统的技术知识（系统指包括某一焊料、器件、PCB焊盘镀层的组合），不过对于如何确保有较好可靠性的做法，以及一些无铅技术上的重要技术发现，在本文中将会与读者们分享。
器件封装的吸潮和热损坏许多塑胶封装的器件，对吸潮问题都有一定的敏感性。
这在传统锡铅技术中我们已经熟悉了。
如果没有很好的预防和处理，吸潮将可能演变成类似“爆米花现象”之类的故障问题，从而影响器件的短期或长期寿命。
虽然这不是个新的技术问题，但无铅技术带来的较高热能（温度和时间）却加重了这问题的程度。
在业界还没有找出表现良好的新材料取代传统塑料之前，一个过渡的简单做法是加强防潮和处理的管制，把现有的防潮能力等级提高了1到2级。
也就是说，同一塑料封装器件，在锡铅应用中如果是被定为第3级的话，在无铅应用中就必须被定为4或5级能力来管理和使用。
IPC/JEDEC 机构对其原有的防潮标准已经进行了无铅应对的修改，而发布了J-STD-020C参考标准(图1). 建议所有被称为无铅器件都应该承受得起这标准中的热曲线。
最新整理无铅焊可靠性.doc
无铅焊可靠性考虑到环境和健康的因素，欧盟已通过立法将在20xx年停止使用含铅钎料，美国和日本也正积极考虑通过立法来减少和禁止铅等有害元素的使用。
铅的毒害目前全球电子行业用钎料每年消耗的铅约为20xx0ｔ，大约占世界铅年总产量的5%。
铅和铅的化合物已被环境保护机构(ＥＰＡ)列入前17种对人体和环境危害最大的化学物质之一。
无铅钎料目前常用的含铅合金焊料粉末有锡一铅（Sn-Pb）、锡一铅一银（Sn-Pb-Ag）、锡一铅一铋（Sn-Pb-Bi）等，常用的合金成分为63%Sn/37%Pb以及62%Sn/36%Pb/2%Ag。
不同合金比例有不同的熔化温度。
对于标准的Sn63和Sn62焊料合金来说，回流温度曲线的峰值温度在203到230度之间。
然而，大部分的无铅焊膏的熔点比Sn63合金高出30至45度，因此，无铅钎料的基本要求目前国际上公认的无铅钎料定义是:以Sn为基体，添加了Ag、Cu、Sb、In其它合金元素，而Pb的质量分数在0.2%以下的主要用于电子组装的软钎料合金。
无铅钎料不是新技术，但今天的无铅钎料研究是要寻求年使用量为5～6万吨的Sn-Pb钎料的替代产品。
因此，替代合金应该满足以下要求: (1)其全球储量足够满足市场需求。
某些元素，如铟和铋，储量较小，因此只能作为无铅钎料中的微量添加成分;(2)无毒性。
某些在考虑范围内的替代元素，如镉、碲是有毒的。
而某些元素，如锑，如果改变毒性标准的话，也可以认为是有毒的;(3)能被加工成需要的所有形式，包括用于手工焊和修补的焊丝;用于钎料膏的焊料粉;用于波峰焊的焊料棒等。
不是所有的合金能够被加工成所有形式，如铋的含量增加将导致合金变脆而不能拉拔成丝状;(4)相变温度(固/液相线温度)与Sn-Pb钎料相近;(5)合适的物理性能，特别是电导率、热导率、热膨胀系数;(6)与现有元件基板/引线及PCB材料在金属学性能上兼容;(7)足够的力学性能:剪切强度、蠕变抗力、等温疲劳抗力、热机疲劳抗力、金属学组织的稳定性;(8)良好的润湿性;(9)可接受的成本价格。
Sn_Zn系无铅焊料合金的可靠性研究进展(1)
另外, 回流焊工艺还影响 IMCs 的形貌。研究表 明[ 10] , 随着回流焊温度的升高, Sn 9Zn 和 Cu 基板反
应生成的板状富 Zn 相增多, Cu Zn 层增厚, 而 Sn Pb
及 Sn A g Cu 和 Cu 基材主要生成 Cu6 Sn5 IMC 层。随
着回流焊时间的增加, Sn 9Zn, Sn Ag Cu, Sn P b IMCs
2 Sn Zn 系无铅焊料的主要失效模式
无铅焊点的可靠度目前尚无法与 SnPb 相比, 特别是在机械冲击或时效过程中, 非常容易引起焊 点的提早破坏[ 2] , 脆化的机理会因为焊接表面镀层 的不同而有所差异, 但不论是何种表面处理, 似乎都 不能避免焊点脆化的发生, 因此对于工作环境温度 较高, 或是经常受机械冲击的无铅产品而言, 测评焊 点的可靠度是不容忽视的重要环节[ 3] 。
增加不明显; 而 Sn 8Zn 3Bi/ Cu, 由于 Bi 抑制了富 Zn
相的形成, 加速了 Zn 向 Cu 表面的扩散, 所以形成更
多的 Cu Zn IM C, 厚度也明显增加。 近来有许多报告指出, SnAgCu 无铅焊料与 Cu
基板的接点在时效时, 会发生焊点强度急速弱化现 象[ 3] , Chiu 等人[ 11] 已经发现在时效过程中, 克肯多微 孔( Kirkendall V oid) 会在 Cu6Sn5/ Cu 界面上生成, 并 影响焊点的强度, 如下图 3 所示。SnZn 系焊料虽然 在反应初期与 Cu 主要形成 CuZn IMCs, 但是随着时 效时间的增加, 界面会形成 Cu6Sn5 化合物, 并且由于 Zn 扩散到铜基体的速率高于 Sn 扩散到界面的速率, 因此在 IMCs 形成过程中, 界面上就会开始有微孔出 现。
无铅焊接技术可靠性分析
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5.1 表面安装技术-安装方式
混合安装的形式
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5.1 表面安装技术-SMT工艺流程
表面安装技术的工艺流程框图如下图所示。
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5.1 表面安装技术-焊接质量分析
SMT的焊接质量要求：焊点表面光泽且平 滑，焊料与焊件交接处平滑，无裂纹、针孔、 夹渣现象。
合格的SMT焊接情况
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பைடு நூலகம்
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5.1 表面安装技术-焊接质量分析
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5.1 表面安装技术-特点
表面安装技术（SMT）具有以下优点： （1）微型化程度高； （2）高频特性好； （3）有利于自动化生产； （4）简化了生产工序，减低了成本。
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5.1 表面安装技术-安装方式
1．完全表面安装 完全表面安装是指：所需安装的元器件全 部采用表面安装元器件，各种SMC和SMD均被 贴装在印制板的表面。 完全表面安装方式的特点：工艺简单，组 装密度高，电路轻薄，但不适应大功率电路的 安装。
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5.3 无铅焊接技术-可靠性分析
（4）金属须（Whisker）问题。
锡焊出现小的金属凸起，伸出焊点或焊盘之 外现象称为金属须。
金属须没有固定的形状，可能生长的很长， 针形的一般可长到数十微米或更长（曾发现近 10mm的）；并且没有明确的生长时间，有数天 到数年的巨大变化范围。金属须会使两个焊区的 电流过大，出现短路，引起设备故障。
常见的SMT焊接缺陷有：焊料不足、焊料堆 积过多、漏焊、球焊、桥接等。
焊料不足使焊点的稳定度下降；焊料过多容 易造成球焊或桥接，使电路出现短路故障；漏焊 是未完成焊接造成电路断路的故障。
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无铅HASL上锡不良案例分析
无铅喷锡（HASL）上锡不良案例研究中国赛宝实验室可靠性研究分析中心邱宝军由于欧盟、美国和我国等国家和地区对铅等有毒物质使用的限制，电子组件中传统的有铅喷锡PCB已经向无铅喷锡PCB转化。
然而，在无铅喷锡PCB的使用过程，很多技术人员发现PCB在经过一段时间储存或者经历高温过程后（如回流焊接过程），PCB焊盘很难被焊料润湿，从而造成无铅喷锡PCB部分焊盘出现上锡不良现象。
本文将以典型案例分析的方式，给出无铅喷锡PCB上锡不良的失效机理，并介绍针对上述不良的主要分析思路和分析方法，并给出避免无铅喷锡PCB出现上锡不良的相关措施。
本文的研究结果避免无铅喷锡PCB出现上锡不良，提高电子产品的可靠性有一定的指导意义。
1 案例的背景某单位送回流焊接后PCBA样品5块和同批次PCB空板5块，委托单位反应该批次PCBA在经过一次回流焊接后，第二面（B面）部分焊盘存在上锡不良现象，而且在某些IC 引脚位置尤为明显。
上锡不良的的PCB比例为5%左右。
考虑到PCB的A、B面没有显著的差异，且只在第二面存在上锡不良现象，委托单位对焊接工艺顺序进行调整，发现原本焊接良好的A面也存在一定的上锡不良现象，而B面则明显改善。
同时委托单位表示，该PCB 已经使用很长时间，只有最近的这一批存在上锡不良现象。
由于无法准确判断导致上锡不良的原因，委托要求对失效的原因进行分析，从而为解决该失效提高依据。
由于涉及客户的部分信息，为保密要求不提供外观照片。
2 分析过程2.1 总体思路根据委托单位提供的信息，该PCB采用的无铅喷锡工艺，且改变工艺流程对上锡不良的现象有明显的改善，初步推断失效的原因可能与无铅喷锡表面镀层在高温下的合金退化导致可焊性下降有关。
为了对该失效推断进行验证，则分析思路为：对失效PCBA具体的失效部位进行外观检查，重点检查失效部位的润湿情况，区分上锡不良为不润湿或反润湿，同时检查焊料对引脚的润湿情况。
外观检查后对上锡不良焊盘进行切片，验证其镀层的质量情况，重点考核镀层厚度和镀层中锡铜合金情况。
失效分析典型案例--焊点质量
小结
引起元件脱落的可能原因 1、焊盘被污染 2、金层质量（污染、太厚/太薄及晶粒粗大） 3、镍层质量（镍腐蚀、P含量：7~11%） 4、IMC太厚/太薄（1~3μm） 5、富P层太厚
案例3.插件孔焊接后吹孔失效分析
NG样品和光板插件孔均发现明显孔破现象，此类现象的存在，在生产及 储存过程中容易储存湿气，在后期焊接中，孔破处存储的湿气在高温下 易膨胀而产生一定气压，往外将孔中灌入的焊锡吹出，形成“吹孔”； 光板孔壁还发现部分铜瘤位置存在铜层褶皱现象，其间隙易存储湿气， 且会降低铜层的连续性和厚度均匀性，大大降低铜层的抗拉伸性能，在 后续焊接高温下，由于板材Z轴方向的膨胀，这些铜层褶皱位置很容易 出现开裂形成孔破，进而诱发“吹孔”现象的产生。
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小结
引起焊接不良的可能原因 1、焊盘被污染 2、焊盘氧化严重 3、锡层太薄
案例2.元件脱落失效分析
通过表面形貌观察，焊盘发现严重镍腐蚀，进一步通过切片观察发 现存在较多贯穿镍层镍腐蚀和IMC不连续的现象。
通过表面形貌观察光板金面良好，剥金后发现 镍面存在严重镍腐蚀，大量存在细密镍腐蚀。 从沉金后的外观仍然给人良好的假象。当这种 焊盘进行焊接时，作为可焊性保护层的金迅速 溶解到焊料中去，而被腐蚀氧化了的镍则不能 与熔融焊料形成良好的IMC层，导致可焊性及焊 点可靠性严重下降。
无铅焊接及焊接点的可靠性试验
１ 种标 准 （ 铅焊 相关 的 ） 各 无
２２评 价方 法一 ．
对Ｓ —Ｐ 系 列焊锡 ，我 们有 各种 各样 的标 准 。无铅 试 件 从 焊 锡 上 方 任 意位 置 浸 入 焊 锡 时 ，将 会得 到 像 图 ｎ ｂ 所 焊从 定 义 、种类 、组 成等 也 有其 对 应ｌ ｌ 、ＩＯ Ｉ ￣ Ｅ Ｓ 、Ｊ 等 ２ 示 的 润湿 性 曲线 。试 件 从 液面 浸 入 、将 会受 到方 向 ＇ Ｃ ｇ Ｓ 国 际标 准 ，并正在 进一 步 完善 。如各 标准 对无 铅的 定 义 向 上 的 浮 力 （ｅ ＞９ 。 ）作 用 ，进 一 步 润 湿 （ｅ ＜ ０ （ 的含量 ）、种类的 一致 性也 还在 进行 调整 ，在 日本 ９ 。 ） ，试 件 周 围 形 成 双 曲线 凹面 。相 对 于 润 湿的 速 铅 Ｏ
国 内使 用 的Ｊ 标 准 ，于２ ０ 年３ Ｉ ｓ ０ ４ 月与 Ｉ 标准 也 进行 了一 度 而言 ，评 价方法 就是 ：测 定试件 与液面 接触 开始 ，到 Ｅ Ｃ
致 性的 调 整 （ 焊 锡 试 验 方法 （ 衡 法 ）Ｊ ０ ３ 例 平 Ｉ Ｃｏ ５ 一 Ｓ
Ｊ Ｃ６ ０ ８ —５ ）。 Ｉ ０ ６ —２ ４ Ｓ
开发 ，生产 线的 变更等 等技 术改 造和 变革 将迫在 眉睫 。 本 文 将 依 据 国 际标 准 Ｉ 、 Ｉ Ｅ Ｓ Ｃ Ｏ、Ｊ ，通 过 实 际 测 量 结 Ｉ Ｓ
性 指标 进行 评价 。
Ｆ （ｙＣ Ｓ —ｖｐ ＝ Ｏ Ｌ Ｇ）１ ｅ ０—２ （ ） ｙ ：表 面张 力 １ 果 ，对无铅 焊 的润湿 性 、强度 、耐久 性等 可靠 性的 评 价 Ｖ ：浸入 体 积 ｅ：接触 角 ｐ：密 度 Ｌ ：周 围长 度 Ｇ：重 方法 进行说 明 。 力加速度
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2.3 主要的可靠性试验方法
类别 热应力
电化学 应力 机械应力
可能的环境应力 （规定的条件）
日夜与季节导致的温度变化 使用与非使用状态的温度变化 使用与转移现场温度的快速变化 贮存期间的热应力 高温高湿的工作环境
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R
电迁移试验 ECM－失效案例
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2.4 可靠性试验案例（1）
Solder Joint Reliability Qualification for XXX
1.3 焊点主要失效模式的失效机理
主要失效机理：热疲劳！
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热疲劳如何导致焊点失效？
•引线脚 •焊料 •可焊性镀层 •铜箔 •有机基材
Joint Materials CTE不匹配！
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IPC- 9701 Performance Test Methods and Qualification Requirements for Surface Mount Solder Attachments 表面安装焊件性能试验方法与鉴定要求
IPC-TM- 650 Test Methods Manual 实验方法手册
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2.4 可靠性试验案例（2）
鼠标与键盘主板无铅过渡可靠性测试矩阵
鉴定测试项目 温度循环
高温高湿
单体跌落
推拉力
样品数量 Sample size
测试条件 Conditions
试验时间 Durations
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2.3.8 电迁移试验 ECM
绝 缘 电 阻 （ Ω ）
时间（t/h）
试验标准：IPC-TM-650 2.6.14：85℃，85％RH，500h，Via 10 V DC 失效判据：电阻下降到低于原来的1/10，无枝晶生长，焊点无腐蚀。
失效数据采集与监控系统： •事件检测：Event Detector（>1000×1,10） •电阻连续检测：Resistance Monitor，＋20％（Ceprei）
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2.3.2 振动试验 Vibration Test
跌落 车载使用 按键与不准确的把握与移动
试验项目与方法
温度循环Temperature Cycling
温度冲击 Thermal Shock 高温贮存（老化） 湿热加电试验（ECM） 高压蒸煮试验 机械跌落 Mechanical Drop 随机振动 Random Vibration 三点弯曲 Three-Point Bending
Test Method 1000 cycles TCX (-40C to 85C, 15 min. ramp/ 15 min. dwell) 500 hours @ 85C/85RH 500 hours @ 85C Per Intel specification* Per Intel specification* Per Intel specification** (applies to matte-Sn and SnCu alloys only)
如果无法或没有确认涂层的合金成分，元器件的供应商必须证明 其与工艺过程的兼容性与适用性。
下表指示了为了特定合金的焊点的可靠性而需要做的可靠性试 验，这些试验是现有元器件日常管理与鉴定的一个补充。
Test Temp Cycling Temp Humidity Bake Shock Vibe Tin Whisker
第2章 焊点的可靠性试验方法
焊点可靠性测试的基本内容 主要的可靠性试验方法 焊点可靠性试验中的检测方法
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2.1 可靠性试验的基本内容
根据焊点的主要失效模式与可能遇到的环境 应力来确定：
N/A
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2.4 可靠性试验案例（2）
鼠标与键盘主板无铅过渡可靠性测试矩阵（续）
鉴定测试项目
温度循环
高温高湿
单体跌落
推拉力
切片测试: samples
功能测试 与 失效标准 Functional test & Failure criteria
2.3.4 弯曲试验
三点弯曲试验的原理与过程
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2.3.5 剪切强度测试－BGA球推力
Shear Ram
Shear Direction
Ram Height
Solder Ball Substrate
Ram Height-----
> 50 μm (2 mils) ≤ 25% of Ball Height
Ram Width----about the ball size
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BGA球剪切强度测试示例
控制原理图
参考试验标准：JESD-22-A110-B， GB2423.11，IPC-TM-65. 2.6.9
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2.3.3 机械跌落试验 Drop Test
Loading Condition Drop Height Impact Axis Testing Mode
Failure Criteria
Guided Free-fall
1.0～1.3 m
Y-axis～10×方向
Tested until failure. Sample classified as pass if no failure within 30 times of impact，或10个方 向×1次，无失效
无铅焊点可靠性分析与经典案例
中国赛宝实验室 罗道军
0086-2087237161, luodj@
第一章 焊点可靠性概论
焊点的基本作用 焊点的主要失效模式 焊点的主要失效机理
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10 times of initial daisy chain resistance value， 或无超过标准的开裂
Y X
PCB with PBGA mounted
1.0～ 1.3 m
参考标准：GB2423
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2.3.1 热疲劳试验方法介绍－温度循环01
－ 40℃
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热疲劳试验方法介绍－温度循环02
Corrosion 腐蚀 Insulation resistance 绝缘电阻下降
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2.2 焊点的可靠性试验标准
IPC- SM-785 Guidelines for Accelerated Reliability Testing of Surface Mount Attachments 表面安装焊接件 加速可靠性试验导则
如果焊点不可靠。。。
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1.2 焊点的主要失效模式
对于检测合格的焊点，其主要失效模式：
•断裂开路失效 •腐蚀失效 •电迁移失效
主要失效模式：机械与热 应力导致的开路失效！
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Thermo mechanical reliabilitity 机械与热应力导致的可靠性
Electrochemical reliability 电化学可靠性
Static fracture静态断裂 Thermal Fatigue fracture 热疲劳断裂 Creep fracture蠕变断裂 Vibration fracture振动断裂 Electrochemical Migration电化学迁移
DAGE 4000
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2.3.6 剪切强度测试－PCBA焊点推力
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2.3.7 抗拉强度测试－焊点拉力
跌落试验方法解析
Drop Tower
Daisy Chain Monitoring System
Velocity Monitoring System
Video System
Strain Measuring System
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2 components per type
(capacitor, resistor, BGA, gall-wing lead, DIP)
1.1 焊点基本作用－互联
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焊点的基本作用－连接
机械连接：固定元器件 电气连接：传导电信号
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Pull the gull-wing lead upwards at 45ºangle with a speed of 10mm/min.For leadless component push the component away from the pad. Record the force value.
in 10 orientations, height as per product specs For keyboard, in 10 orientations height as per product specs N/A