ay: block;">本月伊始,歐盟RoHS指令開始生效。電子行業(yè)的OEM廠商和合同制造商都已經(jīng)開足馬力,加快用無鉛鍍錫和無鉛焊料代替電子元件上的引腳鉛錫拋光和焊接所用的有鉛焊料。
在所有可能的方案中,電鍍純錫被選作為連接器無鉛拋光的處理方案。電鍍純錫的優(yōu)點包括成本低,與現(xiàn)有電鍍工藝和設備兼容,鍍層厚度可控因而應用方便、耐蝕性好,以及無需對引腳端和連接器進行重新設計。盡管電鍍純錫在連接器產(chǎn)品上已經(jīng)可靠地使用了25年以上,但利用無鉛焊接工藝將無鉛鍍錫的連接器固定在PCB上時,焊點的可靠性究竟如何？關于這方面,還需要進行更深入的研究。
在本文討論的無鉛焊點的可靠性研究中,我們在用于SMT和過孔(TH)工藝的連接器上,使用了帶鎳擴散屏柵的純錫亮光鍍錫及啞光鍍錫兩種方法。為了保證向后兼容和無鉛研究,在SMT和TH工藝中的無鉛鍍錫元件上,分別使用了易溶的鉛錫焊料和SAC405()無鉛焊料。
圖1:本文LLCR可靠性研究中使用的測試板。
同時,為了比較,研究中也觀察了傳統(tǒng)鉛錫拋光與易溶鉛錫焊料焊接的SMT和TH焊點。圖1給出了該研究采用的測試工具?？梢钥闯?不同尺寸、間距和引腳數(shù)量的連接元件通過匹配電纜裝置和子卡安裝到PCB上。在電子制造廠中,利用傳統(tǒng)的易溶鉛錫和無鉛SAC405焊料的恒溫焊接爐,通過SMT和波峰焊工藝將這些連接器焊接到PCB上。
通過目測,對測試板上的所有焊點進行了檢查?？偟膩碚f,檢查發(fā)現(xiàn)絕大部分焊點都正常,但有些焊點處能找到細微的缺陷(例如出現(xiàn)焊接空隙、雜散小錫球以及錫量過少)。但這些小缺陷應該不會影響可靠性測試的結果,而且進一步全面優(yōu)化SMT和波峰焊接工藝之后,應該能夠得以糾正。通過對測試板上的焊點進行橫切可以發(fā)現(xiàn),SAC405焊料與易溶鉛錫焊料對無鉛拋光與含鉛拋光的SMT與TH元件的管腳浸潤都很好。
LLCR可靠性測試
在本研究中,還按照EIA 364-23A/IEC 6501 2-2-1規(guī)范,將低電平電路電阻(LLCR)測試作為一個電氣穩(wěn)定性的可靠性指標,以檢查焊點是否受各種加速測試條件的影響而退化。在將TH和SMT連接元件的測試板送去進行各種加速測試條件下的LLCR可靠性測試之前,匹配電纜插接組件和配接子卡都必須連接好并固定牢靠。
進行LLCR測試的加速測試包括:(1)干燥高溫試驗(溫度為85°,干燥加熱,500小時)；(2)濕度高溫試驗(溫度為85°C,R.H.濕度為85%,500小時)；(3)溫度循環(huán)沖擊試驗(溫度在15分鐘內從-40°上升到85°C,保持15分鐘,循環(huán)測試1,000次)；(4)沖擊和振動試驗(所依據(jù)的機械沖擊標準為EIA 364-27,而隨機振動標準為EIA 364-28)。在進行沖擊和振動試驗時,通過對測試板上的所有焊點的電連續(xù)性進行連續(xù)監(jiān)測,并未發(fā)現(xiàn)任何斷接。
圖2:軸心拉伸力作用于含鉛焊點與無鉛焊點的測試結果。
所有LLCR加速測試的結果都顯示,并未出現(xiàn)由于亮光和啞光純錫鍍層與易溶鉛錫焊料或SAC焊料構成的連接元件焊點退化所造成的電阻數(shù)據(jù)錯誤。同時,意料之中的是,在使用易溶鉛錫焊料焊接的傳統(tǒng)鍍鉛錫元件焊點上也未發(fā)現(xiàn)由于焊點退化而造成的LLCR電阻錯誤。從測試結果可以得出如下結論:即根據(jù)各種加速測試條件下的產(chǎn)品規(guī)范,該研究中的所有含鉛或無鉛焊點都通過了LLCR可靠性測試。
引腳軸向拉伸測試
為了了解焊點的強度特性,我們在LLCR可靠性測試之外又進行了軸向拉伸測試。利用一臺拉伸測試機對連接器的每個引腳端進行測試。在拉伸測試之前,應先將連接器的塑料外殼從引腳上剝離掉,并保持連接器完整地安裝在PCB上,以便測試。
對于TH元件來說,所有的拉伸測試問題都出現(xiàn)在接觸尖齒(contact tine)或電路板劃線(score line)處,而焊點處都沒有問題。這表明,所有的TH焊點強度都高于接觸強度。而對SMT元件而言,含鉛焊點與無鉛焊點進行軸向拉伸測試的軸向拉力并沒有大的差別,詳見圖2。然而,拉伸測試后,在采用無鉛拋光的無鉛SMT工藝焊點上,發(fā)現(xiàn)了焊接空隙。這一發(fā)現(xiàn)與參考文獻[2](詳見本刊網(wǎng)站)中提到的無鉛回流工藝中出現(xiàn)的焊接空隙類似。焊點上的空隙說明,要最大程度地減少焊點上出現(xiàn)的空隙,需要對無鉛SMT工藝進行工藝優(yōu)化[3] (詳見本刊網(wǎng)站)。
經(jīng)過掃描電子顯微鏡(SEM)下的檢查顯示,對于拉伸測試后的SMT樣本,在含鉛與無鉛焊點的斷裂面上,錫質焊料中出現(xiàn)典型的微凹形延性斷口。此外,在表面上還發(fā)現(xiàn)有一些金屬互化裂紋的斑狀區(qū)域、金屬互化物/焊料接口處的斷裂,以及SMT工藝造成的焊接空隙。對斷裂面進行SEM檢查還發(fā)現(xiàn),含鉛SMT工藝對元件的含鉛拋光引腳的浸潤比無鉛拋光引腳的浸潤要好。
綜上所述,該研究在各種加速測試條件下,分別利用含鉛焊接與無鉛焊接工藝將亮光和啞光的含鉛與無鉛TH和SMT連接器焊接到作為LLCR可靠性測試中的測試板的PCB上。LLCR測試結果顯示,各種加速測試條件下,含鉛測試板與無鉛測試板中均未出現(xiàn)電阻錯誤。而且,對比亮光和啞光的含鉛與無鉛TH和SMT連接器的焊點,焊點可靠性未發(fā)現(xiàn)大的差異。
用無鉛焊料焊接的焊點中出現(xiàn)的焊接空隙數(shù)量比用易溶鉛錫焊料焊接的焊點中多。但這對焊點整體可靠性的影響不大,因為在加速測試過程中,所有焊點的LLCR都為低阻值并且保持穩(wěn)定。
參考文獻:
[1] P. Elmgren, D. Dixon, R. D. Hilty, T. Moyer, S. Lal, A. Nitsche, and F. Teuber, "Pure Tin - The Connector Finish of Choice", IPC/JEDEC 4th International Conference on Lead-Free Electronic Components and Assemblies, (October 2003).
[2] B. Huang and N.-C. Lee, "Prospect of Lead Free, Alternatives for Reflow Soldering", in Proceedings of IMAPS, Chicago, IL, (Oct. 1999).
[3] Y. Liu, W. Manning, B. Huang, and N.-C. Lee, "A Kinetic Approach of Profiling for Voiding Control at Lead-Free Reflow Soldering", in Proceedings of 2005 SMTA International Conference, Chicago, IL, (Sept. 25-29, 2005), pp. 197-205.
作者:George J.S. Ch
博士
泰科電子公司
