[转帖]Sn-Ag无铅焊点可靠性与环境试验

Sn-Ag焊料是目前商业推广中最有前景的一种无铅焊料。通过高温试验、热循环试验、热振动复合应力试验，研究了Sn-3.5Ag-0.75Cu、Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi和Sn-10Pb镀层、Ni/Pd/Au镀层间焊点可靠性。另外对Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料批量生产的试样PCB板进行了环境试验和长达三年的现场可靠性测试，并和传统的Sn-Pb共晶焊料进行了耐久性的比较。测试方法 表1列出了可靠性测试的条件。组装部件用的是菊花链型内部连线的QFP（0.5mm引脚间距，100只引脚）。QFP的铜引脚采用传统的Sn-10Pb镀层和Ni/Pd/Au镀层。


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表1

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图1
图1给出了温度冲击试验中测量焊接部位导电性的方法。通过一个扫描仪和一个毫欧表，使用4线测量法可测量出菊花链QFP的导电性。结果与讨论 图2显示了高温试验后焊点强度的变化。Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料和Sn-Pb共晶焊料，不管使用的镀层类型如何，随着时间和循环数的增加其焊点强度都会下降。当作用于Ni/Pd/Au镀层的部件时，Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi的焊点强度和其它焊料相比无太大差别；但是，当作用于Sn-10Pb镀层的部件时，其焊点强度会出现显著的降低。 图3是复合环境试验中Sn-10Pb镀层引脚的威布尔曲线。Sn-3.5Ag-0.75Cu和Sn-Pb共晶焊料的试验结果相差不大，在40～50循环下，失效率是50%（L50）。大约在试验开始后2小时，使用Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料的PCB板就开始出现失效，试验开始后30小时，所有此类焊料的评估用PCB板均失效。此类焊料用于Sn-10Pb镀层时，L50的出现时间是15个循环。但是，当此类焊料用于Ni/Pd/Au镀层时，在100小时后还没有失效发生。当不施加高温而仅使用振动试验时，无论是何种镀层类型，在试验500小时后都没有出现失效。这样的结果表明了温度的影响是导致焊接部位劣化的主要原因。


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图2

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图3
图4是经过100小时热振动复合试验后焊点截面背散射电子像。Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊点开裂发生在焊料内部以及焊料/PCB板、焊料/引线界面处。Sn-3.5Ag-0.75Cu焊点开裂发生焊料/PCB板界面处。Sn-Pb共晶焊料组织变粗大，并在焊料内部产生开裂。 图5反映了界面金属间化合物层的厚度随试验时间的变化趋势。Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi/Sn-10Pb镀层界面处金属间化合物层在高温条件下随着时间的延长不断变厚，其生长速度要快于Sn-3.5Ag-0.75Cu/Sn-10Pb的。对于Ni/Pd/Au镀层使用不同焊料，其界面处金属间化合物层的厚度差别不大。


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图4

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图5



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图6
对Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi作用于不同镀层的界面结构进行了分析。图6是2000小时高温试验后界面处元素面扫描图，结果表明当含Bi的焊料和Sn-10Pb镀层作用时，在高温阶段由于金属间化合物的快速生长会导致焊点强度下降。量产PCB板的测试 批量生产的试样PCB板的可靠性测试温度条件设定为：—25℃~80℃。试验项目包括高温试验、高温高湿试验和热循环试验(-25℃/80℃,60分钟/循环)。 使用Sn-Pb共晶焊料的PCB板在2000个循环时开始出现断路，在3000个循环时所有试样均断路。导致的功能问题主要是数字电路系统失效。使用Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料的PCB板在3000个循环后依然没有出现失效。 在进行可靠性试验的同时，我们还进行了应用于实际产品的现场可靠性测试。现场可靠性测试包括了在宇都宫和福知山工厂进行和评估的实际操作。到2003年7月为止，这项现场可靠性测试已经进行了差不多3年，操作时间接近20000小时。现场可靠性测试的结果表明没有产品失效发生。结论

1.无论使用哪种类型的镀层，Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料的焊点强度和可靠性与Sn-Pb共晶焊料相当。

2.Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料与传统的Sn-10Pb镀层焊接时，焊点强度下降。

3.使用Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料批量生产的试样PCB板可以确保至少3000个循环的温度试验，至少20000小时之久的现场可靠性试验的耐力度。本文曾在第六届国际可靠性、维修性、安全性会议上发表。由爱斯佩克测试科技（上海）有限公司黄卫东共同参与研究完成。原文详细内容请参照会议论文集245-249。


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