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电子产品无Pb制程的工艺可靠性问题分析(五)

2020.10.05

这个过程可能包含以下一些步骤:

① 确定可靠性要求——希望的设计寿命及在设计寿命结束之后的可接受的失效概率;

② 确定负载条件——由于功率耗散原因,要考虑使用环境(如IPC-SM-785)和热梯度,这些参数可能会发生变化,并产生大量的小型循环;

③ 确定/选择组装的结构——元器件和基板的选择,材料特性(如热膨胀系数)及焊接接合部的几何形状。

2)SMT工艺流程因素考虑到无Pb钎料与传统PbSn钎料的差异,就需要从工艺控制上来弥补其不足,以达到产品组装的要求。主要因素有:

(1)焊膏印刷定位精度提高,以弥补无Pb焊膏自校准能力差的不足。

(2)工艺窗口狭窄就要求设备的控温精度更高,并能具有氮气气氛控制,以改善浸润性能;同时要根据组装产品的不同特点合理设置再流温度曲线。

(3)再流焊接温度曲线一般由升温预热、均热、再流及冷却区组成。

●典型升温速率为0.5~1.5℃,一般不超过2℃。

●峰值温度推荐值为235~245℃,范围为230~260℃,目标为240~245℃。

●停留在液相温度以上时间为45~75s,允许为30~90s,目标为45~60s。

●再流焊温度曲线总长度:从环境温度升至峰值温度的时间为3~4min。

●进入液相温度再流区前要完成的功能是:使焊膏中的有机成分及水汽充分挥发;使被焊元器件预热,大、小元器件温度均衡;焊膏中的助焊剂充分发挥活性以清洁被焊面。

●具体再流焊温度曲线的设置,要根据焊膏的特性,如熔点或液相线温度、助焊剂活性对温度要求、组装产品的特点来决定。还应关注:钎料储存温度不当,焊盘钎料不足。此处特别需注意的一点是含Bi无Pb钎料的使用问题,由于含Bi钎料与SnPb涂层的器件接触时,再流焊后会生成SnPbBi共晶合金,熔点只有99.6℃,极易导致开裂的发生。

因此,对含Bi无Pb钎料的使用,需注意器件涂层是否为SnPb涂层。3)有Pb或无Pb状态下的炉温曲线参数比较在纯有Pb或纯无Pb再流焊接的情况下,因为不存在焊端镀层材料、BGA/CSP钎料球和焊膏材料之间的匹配和兼容问题,所以再流焊接炉温参数的设置,基本都是有成熟的经验数据作为借鉴,如表3所示。表3 有Pb、无Pb再流焊接温度曲线的工艺参考数据和比较

image.png

●另外由于熔点高,助焊剂的活化温度不能匹配高熔点;

●助焊剂浸润区的温度高、时间长,会使焊接面在高温下重新氧化而不能发生浸润和扩散,不能形成良好的界面合金层,结果导致焊点界面接合强度(抗拉强度)差而降低可靠性。

6.环境影响因素

1)机械负荷条件焊点上的机械应力来源于对插件板上施加的外力。在外加机械负荷的情况下,尤其是系统机械冲击引起的负荷,钎料的蠕变应力总是比较大的,原因是这种负荷对焊点施加的变形速率比较大。因此,即使是足以承受热循环的金属间化合物结构,也会在剪力或拉力测试期间最终成为最脆弱的连接点。SAC合金的高应力率灵敏度,要求更加注意无Pb焊接界面在机械撞击下的可靠性(如跌落、弯曲等),在高应力变化速率下,应力过大更易导致焊接互连断裂。2)热机械负荷条件焊接结构内部不匹配的热膨胀。在足够高的应力下,钎料的蠕变特性有助于限制焊点内的应力。即使是一般的热循环,通常也要求若干焊点能经受得住在每次热循环中引起蠕变的负荷。因此,焊盘上金属间化合物的结构必须经受住钎料蠕变带来的应力。根据樊融融编著的现代电子装联工艺可靠性改编。


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