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有关于无铅化电子组装的知识
步步高通信设备有限公司 吉圣平
一、无铅化电子组装焊点可靠性的问题
1.0 晶须问题
晶须是指从金属表面生长出的细丝状单晶,通常发现于是厚度很小
(0.5-5.0 微米)的金属沉积层表面,典型的晶须直径为1-5 微米 ,长度
1-500 微米。迄今为止在电子行业发现9 种晶须形状,针状细长晶须最有可能
导致短路,引发灾难的可靠性问题.
1.1 Sn 晶须形成与生长的理论
目前还没有形成统一的认识,总体而言分为两个流派:
A:Sn 晶须形成与生长的驱动力为应力梯度,也就是说,表面镀层的某些晶粒
受到周围的正向应力梯度场的作用,该晶粒承受压力而导致晶须从该晶粒形
成与生长,应力梯度来自于Cu-Sn 金属间化合物的形成或者是镀层材料与基
体材料的热膨胀系数不匹配,在随温度载荷导致的热应力.
B: Sn 晶须的形成与生长与再结晶密不可分。也就是说在内部位错微应力
场和环境温度作用下,某些晶粒发生再结晶,而再结晶晶粒与周围晶粒在自
由能方面的不匹配导致整修系统向自由最小化方向演化,晶须的形成与生长
就是这个最小过程的自然产物。
1.2 晶须生长的可能性
尽管不同的试验结果之间略有矛盾,但可以肯定是:
①所有无铅化表面镀层,包括 Sn、Sn-Ag,Sn-Bi 均有可能生长 Sn 晶须,其
中Sn 镀层的晶须生长问题最为严重。
②在纯 Sn 镀层方面,光亮镀 Sn 的晶须问题大超过非光滑镀 Sn 层,这两种
镀 SN 层的差别为:非光滑层:C 含量 0.005-0.05%,晶粒尺寸:1-5 微米;
光亮层:C 含量0.2-0.4%,晶粒尺寸:0.5-0.8 微米。
Sn-0.7Cu 无铅焊料 不存在晶须问题
121oC, 100%RH, 192h 老化试验后 (美国 Motorola 公司提供)
相比之下,Sn-Pb 焊料存在晶须问题
121oC, 100%RH, 192h 老化试验后 (美国 Motorola 公司提供)
1.4 Sn 晶须生长的加试验方法
2003 年,NEMI 正式向工业界推荐三种Sn 晶须加须试验方法:
① 50℃下老化
② 85℃下老化
③ -55-85℃的温度循环.
而SonY 公司在其内部SS-00254 中规总晶须加连试验方法,并且规定了晶须
的长度小于50 微米。
A:温度循环
不经历预先处理 -35℃ 30min; 125℃ 30min 500 次循环
B:潮热试验:
不经历预先处理 85℃,85%RH 500H
目前日本电子信息技术产业协会 JEITA 和全美电子制造商协会 NEMI 、
Soldertec 等三方已经认可的锡晶须试验条件包括如下 3 个:(1)高温高湿试
验(温度为+60 ℃,湿度为 93±2~3% )、(2 )耐热冲击试验(温度在-55℃或
-40 ℃~85℃之间进行变化。不过,升温方式和高温或低温下的温度保持时
间将于日后再行探讨)、(3 )室温下放置试验(放置在20 ℃~25 ℃或 15℃~
35℃等室温条件下)。在 2004 年向 IEC 提交草案以前将对这 3 个条件以外的
其他详细条件进行探讨。
二种试验方法择其一,但行业界推荐温度循环的观点居多,认为温度循环试
验的结果,比较接近实际值。抑制Sn 晶须生长的方法。
1.5.1 热处理:
表面镀层的热层的热处理可分三种:退火(在电镀 24 小时内进行 1
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