无铅焊点可靠性分析

无铅焊点可靠性分析
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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。

在这个时期产品的故障主要是由偶然因素引起的，偶然故障阶段是产品的主要工作期间。

3）、耗损故障期：在产品投入使用相当长的时间后，产品就会进入耗损故障期，其特点是产品的故障率迅速上升，很快出现产品故障大量增加直至最后报废。

这一阶段产品的故障主要是由老化、疲劳、磨损、腐蚀等耗损性因素引起的。

通过对产品试验数据分析，可以确定耗损阶段的起始点，在耗损起始点到来之前停止使用，对耗损的零件、部件予于维修、，更换，可以降低产品的故障率，延长产品的使用寿命。

产品的使用寿命与产品规定条件和规定的可接受的故障率有关。

规定的允许故障率高，产品的使用寿命就长，反之，使用寿命就短。

另外，并非所有产品的故障率曲线都可以分出明显的三个阶段。

高质量等级的电子产品其故障率曲线在其寿命期内基本是一条平稳的直线。

而质量低劣的产品可能存在大量的早期故障或很快进人耗损故障阶段
三、焊点可靠性影响因素
1、设计不良
在设计上如果为充分考虑到各种严肃的影响而设计上存在缺陷时将导致焊点存在缺陷。

例如当PCB的上的焊盘，孔径与零件脚的匹配不当时，焊点不饱满，存在缺陷将严重影响焊点质量。

2、原才不良的影响
PCB 板材原材不良导致焊点的质量下降。

良好的焊点需充分的润湿，PCB 原才的孔壁镀层厚度太薄、冲孔（钻孔）质量差，孔焊盘OSP 层太薄等导致焊接时焊点点润湿不良，造成缺陷，影响焊点的品质与可靠性；板材基材为酚醛树脂与环氧树脂加各种增强物，在PCB 生产过程中处理不当时容易在储存过程中吸水，导致焊接时形成锡洞、焊点不饱满等焊点缺陷，最终导致焊点可靠性下降。

3、焊接制程中工艺参数的影响
在焊接的过程中，制程工艺参数直接了焊点的形成，制程工艺参数选择不当，容易形成有缺陷的焊点，特别是无铅焊锡的使用对工艺提出了更高的要求。

无铅的多层板表面一般使用OSP 涂层保护，在SMT 阶焊接过程中既要使焊接部分的OSP 溶解而形成在润湿的焊点又要使未焊接部分保留OSP 保护膜保护焊盘。

当掌握不好时，往往形成有缺陷的焊点，影响了焊接质量。

而且在无铅焊接过程中，由于焊料，助焊剂、镀层的影响，当掌握不好其特点，工艺参数有偏差时容易形成锡洞、连锡、未焊、冷焊等等焊接缺陷，导致焊点可靠性下降。

4、热应力与热冲击
焊接过程中快速的冷热变化，对元件造成暂时的温度差，这使元件承受热应力。

当温差过大时，导致元件不同材质部分产生应力裂纹。

应力裂纹是影响焊点长期可靠性的不利因素。

焊料固化后，PCB 还必须由1800C 降低到室温。

由于PCB 和元件之间的热膨胀系数不同，有时也会产生焊点的微裂纹，从而影响焊点的可靠性
5、金属化合物的生产
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。

在Sn-Ag 与Cu 基界面上存在Cu 6Sn 5及Cu 3Sn 两种合金成分，且随着热处理时间增加，Cu 6Sn 5合金层增厚，并在该处容易
出现裂纹而导致焊点强度减弱，从而使焊点产生疲劳失效。

所以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；
除了在焊接时生成IMC 层以外，焊料中的锡也和焊接金属表现出固化反应，甚至在室温下，都可能发生这样的反应。

例如。

，一年后Cu – Sn 层的厚度会增加0.5um ；通常合金化合物是硬而脆的。

相比较而言有些是硬的，如Cu – Sn,其它则较软，如AuSn4, Ni – Sn 合金层则是中等硬度。

而软合金层将导致焊点破裂，特别容易发生在含金的焊料中。

整个薄层合金的变化将导致粘附力的降低或电接触的老化。

这些都将导致焊点可靠性的下降；
在焊接金属与合金层之间的界面处也经常会出现焊接金属的伴生物，如铜一锡合金层之间出现的SnO2。

这些氧化物的较脆，其生成都导致焊点可靠性的下降。

6、装卸和移动造成的焊点失效
电子产品从元器件装配、电路组装和直到成品的运输和使用的整个寿命周期内，可能会承受由于机械负载引起的各种振动和冲击,于印制板弯曲可能会给焊点和元件施加过量的应力，较重的元件如变压器等的晃动导致焊点受力使大通孔元件的焊点所受应力很容易超过屈服极限；
7、腐蚀
免清洗型助焊剂残留，空气污染所致的干性化学腐蚀等。

在潮湿和有偏置电压的情况下，在焊点上容易产生腐蚀和离子迁移（由于电解作用，金属析出蔓延形成树枝状晶体）。

破坏电气性能，使产品失效；
8、蠕变断裂
材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度也会慢慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。

这种变形引起的断裂称为蠕变断裂。

不同的材料出现蠕变的温度不同。

一般来说，当温度超过材料熔点的0.3倍以上时，才出现较明显的蠕变。

而锡焊料在室温下也有蠕变现象。

为了防止重的元件造成的蠕变破裂，建议有引线元件的焊点施加的应力不超过0.1N/焊点。

焊点在焊接后多少会释放一些应力，如果焊点位于PCB的某一弯曲的位置，就会受到持久的挤压。

大尺寸IC的焊点，带有相对较硬的引线，这样的焊点在这种情况下会断裂。

如果焊料同发生塑性形变的引线固化在一起，就会发生蠕变断裂，这取决于引线的硬度和塑性形变量。

9、焊接疲劳
焊点在整个寿命周期内，因为PCBA上各个组件的元件、焊料以及基板材料有着不同的热膨胀系数。

同时，周期性的温度改变，散热的变化以及环境温度的改变都会引起每次温度改机械应力。

这部分应力由蠕变释放出来，从而引起每次温度改变时的塑性形变。

这种累积的破坏性影响将最终导致焊点的疲劳断裂，微观变化如下图：
焊点在受热与冷热冲击过程中，焊点晶粒逐渐粗大，而晶粒粗大导致micro-voids后焊点的电阻也将变大，导致该点位温度升高，也加导致焊点晶粒越来越大，晶界的裂缝也逐渐增大从而导致焊点的断裂！
四、结论
综上所述，影响焊点质量的因素有很多，我们探讨了在设计，原材、制造缺陷对其不良影响与在制造，运输，使用过程中的机械负载、热冲击、装卸和移动、老化等方面的影响，那么在设计与制造过程时，应该注意一下几点来尽量减小影响焊点质量的不利因素，保证焊点的质量，提高可靠性；
1、设计时尽量考虑好其各种匹配性；
2、严格把握好原材关；
3、严格管控好制程工艺参数；
4、温度循环负载要尽可能小；
5、元器件要尽可能小；
6、热膨胀系数要匹配；
7、选择适合的包装；
8、采用柔性引线；
9、通孔与引线的配合应紧密，但不要太紧；
10、印制板的装配应保证在板的水平方向能自由移动，否则周期性的弯曲会破坏大元件的焊点；。