返修后和老化后无铅电子组件的可靠性-马里兰.doc

返修后和老化后无铅电子组件的可靠性－马里兰 摘要: 对于电子设备制造商而言，老化后及返修后的无铅和无铅/有铅混装的焊点 可靠性是一个重要课题。受政府法规和市场压力的驱动，目前全球制造厂商已 逐步转换成无铅，如果标识不当或没有合适的替换材料，那些需维护的有铅电 子设备可能不得不用无铅部件或材料进行返修。 本文作者进行了老化后和返修后的焊点可靠性试验研究。试验样品包括高 温老化后和未进行老化的无铅和有铅印制电路板组件，组件上有表面贴装元器 件，包括球栅阵列封装(BGA)、无引脚电阻、四方扁平封装(QFP)。试验样品中无 铅和有铅元器件和材料混合，而后对试验样品进行老化和返修。应用温度循环 载荷来检验焊点的可靠性，试验结果表明：对于PBGA封装焊点而言，高温老化 对无铅焊点的损伤影响要比有铅焊点大；另外，无铅PBGA焊点的失效分布要比 有铅焊点失效分布更宽。 大部分电子制造厂商已经完成了无铅材料和无铅 工艺的转换，以应对政府法规，并完成供应链 架构调整与之相适应[1][2][3]。与此同时，诸如 航天、军用和太空应用的电子制造厂商享有政府法规的豁 免，由于担心无铅元器件和组装的长期可靠性问题，他们都会尽量维持使用目前的有铅元器件和组装工艺。在目前的情况下，无铅元器件可能会有意无意地用 在有铅组装工艺中，另外，那些需维护的有铅电子设备在 返修时可能有意无意地会使用无铅部件或材料。目前，对 于无铅硬件和那些用混装（无铅／有铅）焊料返修的硬件 的长期可靠性依然存在争议。对于无铅焊点的可靠性，业 界有大量的研究成果[1，4—9]。这些研究成果表明：在 温度循环载荷条件下，大多数情况的无铅组件焊点可靠性 与有铅焊点可靠性相当或更好。对于用有铅焊料焊接无铅 BGA元器件的焊点，研究表明其可靠性与纯无铅焊点相 当，前提是混装焊点中的铅均匀扩散分布在整个焊点中[9— 11]。然而，如果焊点中的铅没有扩散，那就会出现严重的 早期失效[10]。对于返修焊点的可靠性，相关的信息很少，最值得 注意的数据来源于老旧飞机联合委员会（JCAA）和污染 防治联合小组（JGPP）赞助项目的近期研究成果[11]。在 JCAA/JGPP的研究中，设计了标准的有铅和无铅试验板， 试验板上面有各种常用的表面贴装元器件，板上也有一组 插装式元器件，而后进行环境试验。作为本研究的一部 分，试验板上进行了有铅焊料／无铅元器件组装，有铅组 件用无铅元器件进行返修。作为一种控制，有些有铅组件 焊点返修时用无铅元器件，而不是有铅元器件。当组件进 行－55～125温度循环时，发现用有铅焊料组装无铅 塑封BGA（PBGA）元器件的混装焊点，其特征寿命比有 铅焊料／有铅PBGA组成焊点的特征寿命要高，然而无铅 PBGA焊点的失效分布要比有铅PBGA焊点宽。失效分布更 宽也许说明了混装和无铅焊点结构的一致性较差。除了返修，也要考虑老化对焊点可靠性的影响，最近对 无铅和有铅焊点可靠性的研究成果表明：高温老化会降低焊 点的拉伸强度[12]，然而，目前对于高温老化导致的焊点拉 伸强度降低是否会在其它环境试验中体现出来仍不清楚。 为了评估老化和返修对无铅和有铅焊点的影响，计算 机辅助产品寿命周期工程中心（CALCE）联合CALCE电子 产品及系统研究协会进行了相关试验研究，本文将阐述此 项研究和相关成果。试验和测试计划 为了评估高温老化和返修对无铅和有铅焊点可靠性的 影响，设计和制造了一系列试验板。试验板上有常用的表 面贴装元器件，包括PBGA、QFP和无引脚电阻。试验板设 计成单面板，板厚为62mil，板材为普通FR4（玻璃化转化 温度较低，约130）。为了监控焊点互连可靠性，试验元 器件和单板互连组成低电阻菊花链网络。为了评估返修的 影响，会将试验板上焊好的元器件拆除并返修。整个试验板和所选择的返修元器件的示意图如图1所示。分别制造加工无铅和有铅两套试验板。无铅试验板的 表面处理方式是化学锡，元器件是无铅，无铅元器件包括 Sn3.0Ag0.5Cu焊料球的BGA、引脚镀层为雾锡(matte Sn)／ Sn0.7Cu／Sn2.0Bi的QFP、焊端镀层为雾锡的2512片阻， 无铅镀层QFP的位置如图1所示。有铅版本试验板的表面处 理方式是锡铅热风整平（HASL），元器件的焊端镀层是锡 铅，其中BGA焊球是Sn37Pb，QFP引脚和2512片阻焊端的 镀层为Snl0Pb。所有元器件的镀层合金成分都用X射线荧光 检测仪（XRF）确认。试验加工了六块无铅试验板和六块有铅试验板。表1列 出了有铅无铅材料混装返修情况下的试验组件和返修材料 具体情况。表2列出了有铅无铅材料混装返修情况下的试验 组件和返修材料具体情况。当进行片阻和QFP的有铅返修 时，使用的是Sn37Pb焊锡丝。进行无铅返修时，