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电子产品无Pb制程的工艺可靠性问题分析（二）

2020.10.05

三、电子产品无Pb制程工艺可靠性理解

电子产品无Pb制程是怎样影响到产品性能和工艺控制的，这是其执行的核心内容。从富Pb材料切换到无Pb材料时，失效模式和效果分析（FMEA）是有差异的。从机械角度看，典型的无Pb材料要比含Pb高的材料硬。硬度对插座设计、电气接触（阻抗和接触电阻）及整个焊点均有影响。不仅无Pb合金具有较硬的特点，就连表面氧化物、助焊剂残留物、合金污染物等残留覆盖物组合，也能在电气接触和接触电阻上产生多种影响。因此，电子产品从富Pb向无Pb制程的转换，在电气或机械方面都不是一个普通的替换。当比较无Pb和富Pb钎料时，由于尺寸的变化，在倒装芯片的钎料球和μBGA封装间会产生持久性的变化。

Pb是比较软的容易变形，因此无Pb制程的焊点硬度比有Pb的高，强度好些，变形也小些。但这一切并不等于无Pb制程焊点的可靠性好，由于无Pb钎料的润湿性差，空洞、移位、立碑等焊接缺陷比较多。由于熔点高，如果助焊剂的活化温度不能配合高熔点的较高温度和较长时间的助焊剂浸润区的话，就会使焊接面在高温下重新氧化而不能发生浸润和扩散效果，不能形成良好的界面合金层，其结果是导致焊点界面结合强度（抗拉强度）差而降低可靠性。

四、影响电子产品无Pb制程工艺可靠性的因素

无Pb焊点的可靠性问题主要来源于：

●焊点的剪切疲劳与蠕变裂纹；

●电迁移、钎料与基体金属界面金属间化合物形成裂纹；

●Sn晶须生长引起短路；

●电腐蚀和化学腐蚀问题。无Pb焊接工艺可靠性是一个非常复杂的工程问题，归纳起来主要取决于工艺可靠性设计、工艺操作规范及工艺管理等诸多因素，如图3所示。

电子产品无Pb制程的工艺可靠性问题

图3 影响无Pb焊点工艺可靠性的因素

与传统的有Pb工艺相比，无Pb化焊接由于钎料的差异和工艺参数的调整，必不可少地会给焊点可靠性带来一定的影响。首先是无Pb钎料的熔点较高。传统的Sn37Pb共晶钎料熔点是183℃，而共晶无Pb钎料（SAC387）的熔点为217℃，温度曲线的提升随之带来的是钎料易氧化，金属间化合物生长迅速等问题。其次，由于无Pb钎料不含Pb，润湿性差，容易导致产品焊点的自校准能力、拉伸强度、剪切强度等不能满足要求。以某OEM公司为例，原含Pb工艺焊点不合格率平均在50ppm左右，而无Pb制程由于钎料润湿性差，不合格率上升至200～500ppm。

与传统的含Pb工艺相同，影响无Pb工艺焊点可靠性的因素也可以大致分为下述几个方面。

1．钎料合金的影响钎料合金的选择极为重要。目前，大多采用SAC合金系列，液相温度是217～227℃，这就要求再流焊具有较高的峰值温度，如前所述会带来钎料及导体材料（如Cu箔）易高温氧化，金属间化合物生长迅速等问题。因为在焊接过程中，熔融的钎料与焊接衬底接触时，由于高温在界面会形成一层金属间化合物（IMC）。其形成不但受再流焊接温度、时间的控制，而且在后期使用过程中其厚度还会随时间而增加。

界面上的IMC是影响焊点可靠性的一个关键因素。过厚的IMC层的存在会导致焊点断裂、韧性和抗低周期疲劳能力下降，从而导致焊点的可靠性降低。无Pb钎料中Sn含量都比SnPb钎料高，这更增大了焊点和基体金属间界面上形成IMC的速率，导致焊点提前失效。

另外，由于无Pb钎料和传统SnPb钎料成分不同，因而它们和焊盘材料，如Cu、Ni、Ag、Pd等的反应速率及反应产物也可能不同，焊点也会表现出不同的可靠性。同时钎料和助焊剂的兼容性也会对焊点的可靠性产生非常大的影响，有研究表明：钎料和助焊剂各成分之间不兼容会导致附着力减小。此外，由于热膨胀系数（CTE）不匹配，又会加快钎料周期性的疲劳失效。

因此，要特别注意选择兼容性优良的钎料和助焊剂，才能承受住无Pb再流焊时的高温冲击。

●目前有Pb钎料合金大都使用的是Sn37Pb，熔点为183℃。

●目前业界无Pb制程再流焊接中“主流”钎料合金是SAC，其中应用最广的成分是SAC305和SAC387（共晶组分），前者熔化温度范围为217～220℃，后者为共晶组分，熔点为217℃，而波峰焊接则可能是SAC305或Sn0．7Cu（x）（熔点为227℃）。SAC合金和SnCu（x）合金拥有不同的可靠性特性。由上可知，无Pb共晶组分SAC387比有Pb共晶组分Sn37Pb合金的熔点要高出34℃。

显然，从有Pb焊接转变到无Pb焊接并不仅仅是单纯的材料代换而已，它还带来了许多可靠性方面的困扰。微电子领域使用的钎料有着很严格的性能要求，无Pb钎料（以SAC为例）也不例外，不仅包括电学和力学性能，还必须具有理想的熔融温度。从制造工艺和可靠性两方面考虑，表1列出了钎料合金的一些重要性能。表1 钎料合金的重要性能

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周锦帆