采用無(wú)鉛產(chǎn)品會(huì)使產(chǎn)品是否導(dǎo)致返修率上升

 通用汽車的一位可靠性專家zui近表示：“你知道無(wú)鉛帶來(lái)的問(wèn)題嗎？沒(méi)有人能夠回答這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題：如果我所制造的無(wú)鉛產(chǎn)品的質(zhì)量與用錫鉛的產(chǎn)品一樣，它們工作的時(shí)間能一樣長(zhǎng)嗎？" 

問(wèn)題很簡(jiǎn)單，答案也并不復(fù)雜。經(jīng)過(guò)多年的研究和試驗(yàn)，UV老化試驗(yàn)箱研究人員已經(jīng)把影響無(wú)鉛產(chǎn)品長(zhǎng)期可靠性的因素歸結(jié)到以下5個(gè)方面。 

● 錫須 
● Kirkendall空洞 
● 無(wú)鉛焊料的機(jī)械震動(dòng) 
● 無(wú)鉛焊料的熱循環(huán) 
● 導(dǎo)電陽(yáng)極絲(CAF) 

錫須 

錫須是從元器件和接頭的錫鍍層上生長(zhǎng)出來(lái)的，如果這些導(dǎo)電的錫須長(zhǎng)得太長(zhǎng)的話，可能連到其他線路上，并導(dǎo)致電氣短路。通過(guò)在器件引腳上使用90Sn10Pb鍍層已經(jīng)有效地消除了錫須問(wèn)題，但現(xiàn)在這個(gè)問(wèn)題又冒了出來(lái)。 

有些公司用鍍純錫的器件生產(chǎn)了大量的無(wú)鉛產(chǎn)品，UV老化試驗(yàn)箱已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用過(guò)程中的錫須問(wèn)題，并且在不到2年的時(shí)間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)故障。雖然還不清楚實(shí)際的故障率，但證據(jù)顯示錫須故障并未使總體的產(chǎn)品返修率增加。由于在細(xì)引腳器件上鍍錫是zui近三四年才有的事情，錫須對(duì)長(zhǎng)期可靠性的影響還有待觀察。

如果你不是在設(shè)計(jì)可能會(huì)造成人身傷害的產(chǎn)品，元器件和連接器就要首先考慮是不是具有下面這些特點(diǎn)。 

● 引腳間距小于1mm(有些公司采用的間距小于0.3mm) 
● 可采用金屬外殼(例如通孔晶振或振蕩器) 
● 受積壓的連接點(diǎn)(例如接頭彎曲的電路) 
● 有焊縫(例如電解電容) 

    一旦確定了關(guān)鍵器件，你應(yīng)該要求器件生產(chǎn)商提供基于iNEMI建議或JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD22A121的認(rèn)證測(cè)試。業(yè)界對(duì)故障的定義幾乎還是空白，UV老化試驗(yàn)箱所以你也許需要提出自己的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)既可以是數(shù)值，例如zui大的晶須長(zhǎng)度不能超過(guò)25、50或75μm，也可以是相對(duì)數(shù)值(如zui小間距的1/3或1/2)。 

    Kirkendall空洞 

    在兩種不相近的材料之間，由于擴(kuò)散速率的不同所產(chǎn)生的空洞就稱為Kirkendall空洞，這種空洞產(chǎn)生機(jī)制在SnPb和無(wú)鉛焊料中均存在。在zui近的實(shí)驗(yàn)中，SnPb焊料中會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的空洞。但在過(guò)去30年的表面安裝技術(shù)使用過(guò)程中，還沒(méi)有因?yàn)镵irkendall空洞導(dǎo)致產(chǎn)品故障的報(bào)告。 

    在無(wú)鉛焊料中，Kirkendall空洞是由一些未知因素造成的，UV老化試驗(yàn)箱似乎會(huì)使問(wèn)題更加嚴(yán)重，尤其是在長(zhǎng)期的高溫條件下。 

    機(jī)械震動(dòng) 

    即使你沒(méi)有碰到過(guò)Kirkendall空洞，對(duì)因機(jī)械震動(dòng)或跌落造成的產(chǎn)品性能下降還是要有所準(zhǔn)備。有研究表明，在被施加震動(dòng)、跌落或電路板被彎曲時(shí)，SAC(SnAgCu)焊料合金的失效負(fù)載還不到SnPb合金的一半。這種性能損失似乎是幾個(gè)因素的共同作用，包括脆弱的金屬間化合，因更高的回流焊接溫度而導(dǎo)致的電路板降級(jí)，由于SAC比SnPb更硬而傳遞了更大的應(yīng)力。 

    這到底是一個(gè)長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題，還是從一開(kāi)始就是一個(gè)質(zhì)量問(wèn)題呢？便攜式電子產(chǎn)品制造商的無(wú)鉛化已經(jīng)實(shí)施了數(shù)年，還沒(méi)有因?yàn)榈鋵?dǎo)致返修率增加的報(bào)告。有些公司把注意力集中到如何更好地控制制造環(huán)境，特別是減小zui大的允許張力，從1000微肋變減少到750或500微肋變。 

    熱循環(huán) 

    在某些特定的情況下，SnPb材料的熱性能比無(wú)鉛的要好，UV老化試驗(yàn)箱應(yīng)該考慮下面的一些情況。 

● 對(duì)焊點(diǎn)疲勞高度敏感的元件(如大型片上電阻、陶瓷封裝的BGA、無(wú)引腳陶瓷基片、未填充的芯片級(jí)封裝)。 
● zui大的節(jié)點(diǎn)溫度超過(guò)80℃，駐留時(shí)間超過(guò)4小時(shí)(駐留時(shí)間隨溫度上升而下降)。 
● 每天至少進(jìn)行一次熱循環(huán)，預(yù)期使用壽命至少為10年(使用壽命隨循環(huán)頻率的增加而減小)。 

    如果你處在上面提到的這些情況下，就需要進(jìn)行基于現(xiàn)有的無(wú)鉛焊料節(jié)點(diǎn)可靠性模型的加速壽命實(shí)驗(yàn)來(lái)確定風(fēng)險(xiǎn)。公開(kāi)的模型更可靠一些，Amkor和德國(guó)的Fraunhofer Institute為此做出了很多工作。 

    CAF的形成 

    導(dǎo)電陽(yáng)極絲(CAF)是由銅絲沿著玻璃纖維或樹(shù)脂接口遷移形成的，會(huì)在相鄰的導(dǎo)體間產(chǎn)生內(nèi)部的電氣短路，這對(duì)高密度電路板的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，更高的回流焊溫度會(huì)導(dǎo)致該問(wèn)題更易發(fā)生。有些大型PCB板生產(chǎn)商在使用無(wú)鉛回流焊時(shí)，就無(wú)法滿足用戶的CAF要求。 

    有些材料和加工工藝即使經(jīng)過(guò)多次回流焊，也可以使UV老化試驗(yàn)箱電路板避免CAF問(wèn)題。不管怎樣，所有這些辦法都會(huì)增加成本，因?yàn)闀?huì)用到的或私有的技術(shù)。這樣一來(lái)，除非客戶特別要求，許多PC板生產(chǎn)商就不會(huì)采用可防CAF的材料。 

    Interface Science(Goleta，CA)通過(guò)引入硅烷開(kāi)發(fā)了一種很有前途的減緩技術(shù)，可使密度和玻璃纖維的硅烷外殼一致性達(dá)到zui大。更好的一致性可以使玻璃纖維和樹(shù)脂結(jié)合得更加緊密，減少了CAF發(fā)生的可能性。