有铅焊膏和无铅BGA混装焊点的可靠性探索

来源:收集 点击数:91 更新时间:2018/12/3 10:41:39

有铅焊膏和无铅BGA混装焊点的可靠性探索
 随着无铅化元器件的广泛应用,军事电子领域也不可避免地被动采用无铅化元器件,因此我们不得不面临有铅焊膏和无铅器件共存的问题。虽然在军事电子和医疗电子等领域对可靠性要求高的产品不受RoHS指令的约束,但是无铅化的不断推进,无论是航天电子产品还是医疗电子产品,采购的无铅器件种类越来越多,因此有铅器件和无铅器件共存、有铅焊膏和无铅器件共存是高可靠性产品制造者迫切需要解决的问题[1]。

目前,器件的封装种类有很多种,如BGA、QFP和QFN等,而BGA封装器件的焊接问题和可靠性问题往往决定着一个产品的质量,因此本文针对有铅焊膏和无铅BGA的混装焊点可靠性开展试验。

1 无铅BGA的有铅化处理

关于无铅BGA,很多焊接解决方案采用重新植球(Sn63Pb37焊球)的方法,将其进行有铅化处理后再进行回流焊接。在解决无铅BGA器件焊接的同时,植球过程同样会带来其他问题,如BGA耐温次数的要求、BGA内部连接问题和BGA植球的可靠性问题等,这些问题都意味着植球处理面临很大的风险。因此,还需从根本上解决有铅焊膏和无铅BGA的焊接问题。

2 混装回流焊接工艺

从焊接机理方面进行分析,假设采用有铅焊接工艺参数进行焊接,其峰值温度通常在220 ℃左右,无铅BGA的焊球(熔点约为217 ℃)无法完全熔化,未完全塌陷,焊点的可靠性存在较大风险。假设采用无铅焊接工艺参数进行焊接,其峰值温度通常在240 ℃左右,液相线时间是控制217 ℃以上的时间,因此Sn63Pb37焊膏应用无铅焊接工艺时会导致焊膏在183 ℃以上的时间加长。随着焊接时间的加长,Cu原子会渗透到已经形成的金属间化合物(Cu6Sn5),局部结构Cu6Sn5转变为Cu3Sn,Cu3Sn呈现骨针状和脆性,强度较差,当焊点处于温度循环、振动和冲击等恶劣环境时将会出现失效[2]。由此可见,有铅焊膏焊接无铅BGA不能单纯从有铅焊接工艺和无铅焊接工艺中进行选择,同时也表明有铅焊膏焊接无铅BGA的技术难点在于回流焊温度的选择和控制方面。有铅焊接工艺和无铅焊接工艺主要参数对比见表1。

3 焊点可靠性

混装焊点的性能和长期可靠性受焊点显微组织的影响,同时也受到电子产品的使用环境和焊点应力状态等的影响。目前来说,主要检测手段包括X-RAY、金相切片和电镜扫描等。X-RAY主要是检测焊点的空洞率,在相关标准中针对高可靠性产品的空洞率有其相应的控制范围,本次试验根据ECSS-Q-ST-70-38C《表面装配高可靠性焊接》[3]中11.5.8要求“空洞的横截面积不能超过25%”。金相切片检测Pb的分布情况,业界普遍认为Pb的分布是否均匀是判断混装焊点质量的重要参考指标。电镜扫描测量合金层厚度,业界普遍认为合金层均匀厚度在1~4 μm较为理想。为达到焊点质量可靠性要求,不仅需要焊点质量的各项检测指标符合要求,还需要通过可靠性试验验证。主要验证包括高/低温试验、温度冲击试验、跌落试验和振动试验等。就目前来看,大量的研究表明,通过优化回流焊参数可得到合格的混装BGA焊点,并能够满足航空相关标准的温度冲击和随机振动耐久试验要求,但是仍然需要对其长期可靠性进行研究[4-8]。

4 回流焊接试验

4.1 试验所用材料

试验选用的无铅BGA型号为Xilinx的XC3S400AN-4FGG400I,封装尺寸21 mm×21 mm,焊球成分SAC405,焊球直径0.6 mm。印制板材料为FR4基材,尺寸96 mm×174 mm,厚度2 mm。印制板上BGA位置焊盘设计直径为0.5 mm,焊盘镀层为Sn63Pb37。模板厚度为0.12 mm,开孔尺寸直径为0.55 mm。焊膏合金成分Sn63Pb37,颗粒规格为3号粉。

4.2 回流焊接工艺参数

试验设计混装焊接温度设置应满足以下要求:焊接温度曲线在升温区按焊膏推荐要求的升温速率和升温时间进行设定,然后尽量加快从升温区到回流区的升温速率,减少过渡阶段中焊膏溶剂的挥发,同时在峰值温度方面要兼顾有铅焊膏和无铅BGA焊球的回流焊接工艺要求。峰值温度设定在230~235 ℃之间,液相线上温度时间为50~60 s,使无铅BGA焊球能充分回流。

4.3 试验件焊接

4.3.1 焊前准备

1)器件烘烤。XC3S400AN-4FGG400I为塑封潮湿敏感器件,为避免回流焊接过程中产生“爆米花”效应,将塑封器件在125 ℃下烘烤24 h。

2)焊膏准备。焊膏在冰箱内的存储温度为5~10 ℃,为避免焊膏开盖造成水汽凝结,导致焊膏受潮,焊膏从冰箱取出后需回温4 h。

4.3.2 焊膏印刷和SPI

焊膏在印刷前应保证黏度适中和成分均匀,因此应进行充分搅拌,在印刷后进行SPI检测,保证印刷体积、面积、高度和偏移均符合焊接要求。

4.3.3 表面贴装和X-RAY

使用高精度贴片机贴装BGA,贴装后进行X-RAY检测,确保贴装精度的同时避免异物存在于BGA下方。

4.3.4 回流焊接

在焊接前确认回流焊接温度,选择布置两个BGA测温点,同时在印制板上布置其余测温点,并进行监控。

4.4 X-RAY检测

在试验件焊接完成后,混装焊点的X-RAY检测结果如图1所示。在X-RAY影像内没有明显可见的空洞,因此,空洞率符合空洞的横截面积不能超过25%的要求。

4.5 金相切片

焊点金相照片中呈现黑色物质为Pb,白色物质为Sn,如图2和图3所示。金相切片结果表明,焊点内部的金相组织较为均匀细腻。

4.6 电镜扫描

电镜扫描测量金属间化合物厚度如图4和图5所示。从图中可以看出,焊点在PCB焊盘侧以及BGA侧的合金层均匀连续并厚度适中,符合业界合格焊点的金属间化合物厚度要求。

5 可靠性试验

为对比混装焊点和有铅焊点的可靠性,可靠性试验中增加了有铅焊接工艺焊接有铅BGA的对比组。试验件均按照ECSS-Q-ST-70-38C《表面装配高可靠性焊接》中14.3验证测试程序进行,先进行温度循环试验,后进行振动试验。

温度循环试验条件:温度循环在-55~100 ℃之间,温度变化速率为10 ℃/min,当达到每一温度极值时,保持15 min,共进行500个循环,温度曲线如图6所示。

振动试验:包括正弦振动和随机振动,振动量级按照表2和表3进行。

振动试验的合格判据为试验完成后金相切片结果显示的所有焊点的裂纹(表面或者内部)小于焊球尺寸的25%。试验结果表明:混装试验件在所有金相切片检测的156个焊点中,有一个焊球出现裂纹,裂纹长度24.1 μm,约占焊球尺寸的4.8%,符合可靠性要求。有铅试验件在所检测的156个焊点中焊点均没有裂纹。

6 结论

主要研究了有铅焊膏焊接无铅BGA器件的回流焊接参数。在设定的回流焊接参数下,使用Sn63Pb37焊膏焊接无铅BGA。通过X-RAY检测、金相切片和电镜扫描对焊接质量进行检测分析,结果表明,该回流焊接参数焊接的无铅BGA焊点外观和显微组织均符合业界认可的要求。在经过可靠性对比试验后,混装焊点强度满足要求,同时混装焊点的可靠性也与有铅焊点的可靠性相差无几。

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