IPC焊料產(chǎn)品價(jià)值協(xié)會(huì)(SPVC)通過(guò)一項(xiàng)可靠性研究來(lái)確定在裝配、金相分析和基本特性、熱沖擊和溫度循環(huán)中，無(wú)鉛合金中的各種錫銀銅 (SAC)合金的性能是否相當(dāng)。SPVC的結(jié)論是三種SAC合金的性能相差不多，建議把SAC 305作為電子行業(yè)首選的無(wú)鉛合金。這項(xiàng)研究的另一個(gè)結(jié)果是，在對(duì)使用SAC無(wú)鉛焊膏的測(cè)試板進(jìn)行分析時(shí)，檢查出有空洞。在測(cè)試電路板上把空洞標(biāo)了出來(lái)，但沒(méi)有對(duì)它進(jìn)行修補(bǔ)，在這種情況下，讓測(cè)試電路板經(jīng)受熱沖擊和溫度循環(huán)。空洞也經(jīng)歷了熱沖擊和溫度循環(huán)，SPVC還對(duì)焊點(diǎn)中空洞進(jìn)行比較。

　　關(guān)于焊點(diǎn)的爭(zhēng)論

　　電子制造行業(yè)公認(rèn)的是，通常在x光照片中看到的空洞，可能是把焊點(diǎn)劃作不合格的一個(gè)因素：特別是當(dāng)空洞的大小超過(guò)焊點(diǎn)的25%時(shí)──尤其是在BGA里出現(xiàn)空洞的情況下。

　　對(duì)于焊點(diǎn)中的空洞，電子裝配業(yè)一直存在爭(zhēng)議。隨著向無(wú)鉛的轉(zhuǎn)變，爭(zhēng)議越來(lái)越激烈。原因是無(wú)鉛焊點(diǎn)比錫鉛焊料更容易形成空洞;而且在SAC合金中，空洞的百分比要比其他無(wú)鉛合金高。

　　測(cè)試方案

　　在IPC SPVC測(cè)試項(xiàng)目中使用兩種無(wú)鉛電路板進(jìn)行測(cè)試：無(wú)鉛測(cè)試板A*和無(wú)鉛測(cè)試板B**。這兩種測(cè)試板所用的焊膏不是專門(mén)挑選的，但使用同樣的助焊劑。

　　在無(wú)鉛測(cè)試板A*中，使用三種SAC合金焊膏裝配的所有電路板上都看到空洞，面積超過(guò)25%，其中，特別是間距為0.5mm的CSP84無(wú)鉛元件。用錫鉛合金裝配的電路板，明顯地存在空洞，但是，用錫鉛合金裝配的間距為0.5mm的CSP84元件上，空洞面積不到25%。

　　在無(wú)鉛測(cè)試板B**上，在使用SAC合金裝配的所有電路板上都看到空洞面積超過(guò)25%。在電路板上，PBGA196、C-CSP224和晶片級(jí)封裝CSP8的空洞幾乎都超過(guò)的25%。

　　為了確定空洞對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響，IPC SPVC采用的測(cè)試方案包括整個(gè)行業(yè)普遍認(rèn)可的常規(guī)溫度循環(huán)和熱沖擊。對(duì)兩組測(cè)試板都進(jìn)行了環(huán)境試驗(yàn)，在測(cè)試期間，對(duì)它們的功能進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)試板中包括兩家公司的電路板，每家公司的測(cè)試板有四組，每組四十塊，分別使用三種SAC焊料合金成分，以及一種低熔點(diǎn)(錫鉛)焊料，以便對(duì)比。每組都拿出一塊板來(lái)進(jìn)行破壞性金相分析，這塊試驗(yàn)板沒(méi)有參加溫度循環(huán)研究。

　　所使用的溫度循環(huán)方案反映了IPC測(cè)試方法。這個(gè)溫度循環(huán)方案首先在低溫(0℃)保持十分鐘，然后，溫度緩慢上升至100℃，接著在這個(gè)高溫下保持十分鐘的時(shí)間，然后，漸漸回到低溫狀態(tài)。整個(gè)溫度循環(huán)通常大約需要60分鐘。循環(huán)時(shí)間與爐溫上升的時(shí)間和測(cè)試板溫度穩(wěn)定過(guò)程有關(guān)。

　　熱沖擊測(cè)試方案和JEDEC規(guī)定的很相似，它先在低溫(-55℃)保持五分鐘的時(shí)間，然后在高溫(125℃)保持十分鐘的時(shí)間，然后再回到低溫。總的循環(huán)時(shí)間大約在20分鐘左右。這個(gè)循環(huán)過(guò)程連續(xù)地重復(fù)進(jìn)行。對(duì)兩組測(cè)試件的樣品，每組進(jìn)行了500 次溫度循環(huán)就進(jìn)行金相分析。

　　測(cè)試結(jié)果

　　在環(huán)境試驗(yàn)后，這項(xiàng)研究對(duì)空洞的X射線分析結(jié)果進(jìn)行了比較，比較了6000 次溫度循環(huán)后的失效情況，熱沖擊，對(duì)失效的焊點(diǎn)和正常的焊點(diǎn)都進(jìn)行金相檢查，并比較金相檢查的結(jié)果。從這些比較，并且用若干不同的統(tǒng)計(jì)方法來(lái)比較溫度失效數(shù)據(jù)和空洞位置和尺寸，我們可以清楚地看到，空洞不會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的完整性產(chǎn)生任何影響。

　　在每500次溫度循環(huán)之后，把電路板拿出來(lái)，對(duì)每塊電路板上的每個(gè)元件進(jìn)行穿透性X射線成像。從這個(gè)圖像我們可以看到，在SAC合金焊點(diǎn)中的空洞遠(yuǎn)遠(yuǎn)比錫鉛合金焊點(diǎn)的多。就數(shù)量和大小而言，CSP84封裝焊點(diǎn)中的空洞比其他陣列封裝焊點(diǎn)的空洞多。使用經(jīng)歷了溫度循環(huán)的封裝的剖面圖對(duì)空洞進(jìn)行比較，我們看不到空洞與連接失效有什幺明顯的關(guān)聯(lián)。例如，在測(cè)試板A*的SAC 305焊點(diǎn)的剖面圖上看到大空洞，但是，這并不能說(shuō)明這些空洞會(huì)致使連接失效——雖說(shuō)這個(gè)封裝經(jīng)歷了4500次溫度循環(huán)。

　　在無(wú)鉛測(cè)試板 A*上，對(duì)于間距為0.5mm的84個(gè)輸入/輸出CPS封裝，溫度循環(huán)引起的蠕變疲勞導(dǎo)致的焊點(diǎn)失效相當(dāng)多，由此可以得到兩個(gè)參數(shù)，即威布爾斜率(β)和特征壽命(η)值。圖1是CSP84封裝失效分布的威布爾圖。威布爾分布說(shuō)明SAC合金焊點(diǎn)的特征壽命比錫鉛焊點(diǎn)更長(zhǎng)(SAC合金為4713到6810次溫度循環(huán)，錫鉛合金是1595次溫度循環(huán))。然而，在沒(méi)有進(jìn)行監(jiān)測(cè)的電路板上，每500次溫度循環(huán)的穿透式X射線圖像和剖面圖表明SAC合金焊點(diǎn)里的空洞比SnPb焊點(diǎn)里的空洞明顯多很多，也大很多。正是由于這點(diǎn)，在進(jìn)行了6000次溫度循環(huán)后用X射線對(duì)每個(gè)CSP84封裝進(jìn)行檢查。我們?cè)噲D把空洞和出現(xiàn)失效的溫度循環(huán)次數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)。圖2是威布爾值和η值。這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果取自24個(gè)CSP84封裝和60個(gè)CSP84封裝，24個(gè)CSP84封裝是IPC SPVC可靠性測(cè)試的一部份，60個(gè)CSP84封裝是測(cè)試板A可靠性測(cè)試的一部份。在一個(gè)分析中，使用普通的再熔工藝進(jìn)行裝配的SAC387焊點(diǎn)里有較大的空洞。然而，焊點(diǎn)的特征壽命并不存在特別明顯的差別。

　　結(jié)論

　　我們根據(jù)IPC SPVC關(guān)于SAC合金可靠性研究項(xiàng)目所提供的數(shù)據(jù)，來(lái)比較SAC連接中的空洞和出現(xiàn)失效的溫度循環(huán)次數(shù)。我們用八種獨(dú)立的統(tǒng)計(jì)分析方法(盒狀圖、單向 ANOM、主要效果圖、矩陣圖等)來(lái)比較空洞超出連接面積的25%對(duì)應(yīng)的出現(xiàn)失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)，也比較了空洞總數(shù)對(duì)應(yīng)的出現(xiàn)失效的溫度循環(huán)次數(shù)。空洞分布與出現(xiàn)失效循環(huán)次數(shù)的比較結(jié)果表明空洞不會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的可靠性產(chǎn)生影響。

　　對(duì)焊點(diǎn)中空洞的數(shù)量和大小與溫度循環(huán)數(shù)據(jù)中連接失效進(jìn)行了比較，結(jié)論是：沒(méi)有證據(jù)證明這類SAC合金焊點(diǎn)中的空洞會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的可靠性產(chǎn)生影響。

　　* Solectron公司提供的測(cè)試板A：160塊，是六層、厚度為93密耳的印刷電路板，上面有72個(gè)元件。

　　** FlextronICs公司提供的測(cè)試板：160塊，是雙面印刷電路板，上面有260個(gè)元件。