电子产品无Pb制程的工艺可靠性问题分析（一）

一、概述

随着电子信息产业的日新月异，微细间距器件发展起来，组装密度越来越高，诞生了新型SMT、MCM技术，如图1所示。

图1 微电子学芯片封装技术的发展

现在微电子器件中的焊点越来越小，但其所承载的力学、电学和热力学负荷却越来越重，对可靠性的要求也日益增高。电子封装中广泛采用的SMT封装技术及新型的芯片尺寸封装（CSP）、钎料球阵列（BGA）等封装技术均要求通过焊点直接实现异材间电气及刚性机械连接（主要承受剪切应变），它的质量与可靠性决定了电子产品的质量。

一个焊点的失效就有可能造成器件整体的失效，因此如何保证焊点的质量是一个重要问题。传统SnPb钎料含Pb，而Pb及Pb化合物属剧毒物质，长期使用含Pb钎料会给人类健康和生活环境带来严重危害。目前电子行业对无Pb焊接的需求越来越迫切，已经对整个行业形成巨大冲击。无Pb钎料已经逐步取代有Pb钎料，但无Pb化制程由于钎料的差异和焊接工艺参数的调整，必不可少地会给焊点可靠性带来新的问题。因此，无Pb焊点的可靠性也越来越受到重视。

二、无Pb制程定义及系统考虑

（1）无Pb制程定义RoHS中规定禁止使用铅（Pb）、汞（Hg）、镉（Cd）、六价铬（Cr6＋）、多溴联苯（PBB）、多溴二苯醚（PBDE）6种有害物质，实施日期是2006年7月1日。这意味着，从这天起，所有的EEE（电气、电子设备），那些豁免的除外，一旦它们含有这6种禁用物质，就不能在欧盟市场上销售。无一禁用物（如无Pb）的定义是什么？这6种禁用物质在任何一个EEE的均匀材质中所允许的最大浓度值（MCV）已在EU公报上公布，并在2005 年8月18日立法。

条款5（1）（a）规定，铅、汞、六价铬、多溴联苯（PBB）、多溴二苯醚（PBDE）均匀材质的MCV 均为0．1wt％，镉的MCV为0．01wt％。简单地讲，以无Pb为例，定义为任何一个EEE在所有的（单个的）均匀材质中，Pb含量小于0．1wt％。

（2）无Pb制程的系统考虑电子产品无Pb制程取代目前的有Pb工艺，已是大势所趋。它正从研发走向产业化，从小批试产走向大规模量产，从消费类产品扩大到绝大多数的产品类型，兼容成为一个关键问题。在无Pb制程中，不管可靠性是否达到在苛刻环境中使用的电子产品的要求，都是必须关注的。苛刻环境的定义是：凡是必须长时间在温度大幅度升高、持续承受很大负载、温度剧烈变化、特别高的温度、很强的机械撞击或振动、腐蚀性等环境中工作的产品，或者同时要在上述几种情况或者所有情况下使用的产品，均属于“在苛刻环境下使用的电子产品”范畴。进一步讲，由于电路设计方面的局限性，焊点两边的热膨胀系数严重失配，也可以列入苛刻环境的范畴。从有Pb焊接过程到无Pb焊接的系统性考虑，包括设计、材料、工艺、质量，以及可靠性、设备、操作和商业化等多方面，而无Pb钎料的系统连接可靠性则是无Pb转换的关键。无Pb焊接的系统考虑如图2所示。

图2 无Pb焊接的系统考虑