无铅BGA有铅焊锡膏混装焊点的典型可靠性问题

无铅BGA／有铅焊锡膏混装焊点的典型可靠性问题 罗道军 信息产业部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点，广州510610 摘要：本文分析总结了无铅BGA与锡铅焊锡膏混合组装的焊点所容易发生的两大可靠，巨问题，首先是 回流中热容不足引起的BGA焊球合金化差，从而导致的焊点强度下降问题；其次是锡铅焊锡膏回流过 度后造成焊点中焊盘界面过厚富磷层的生产，导致在该薄弱环节容易发生开裂失效的问题。本文分析 了这两大典型可靠性问题生产的原因、危害，并给出了相应的预防控制措施。 关键词：无铅BGA，混合组装，富磷层 TypicalReliabilityIssuesforSolderJointsAssembledwith Lead．freeBGULeadSolderPas’jte LuoDaojun TheNo．5ResearchInstituteofMII，NationalKeyLaboratoryforReliabilityPhysicsandAppkea石on TechnologyofElectronicProduct，Cuangzhou510610，China Abstract：Thispaperpresentedandsummarizedtwotypicalreliabilityissuesforsolderjointsassembledwithlead·freeBGAand solderpastecontaininglead．Oneisthebadintermetallielayermsuhedfromirmufl：jeientheatinthereflowprocess．Thesolder jointwithabadintermetalliclayerwillbeapttofailureduetoitsdegradeds打ength．AnotheristheoverthickP-richlayerresul- tedfromoverheatwhenmflowing．Thesolderjointwithanover-thickP-richlayerisapttocrackalongtheP-richlayer．Thecall- 嘲andimpacta8well髓preventionmeasm-Eshavealsobeendiscussedindetails． 1 引言 随着电子制造的无铅化不断深入，无铅化所相关的焊料、元器件、助焊剂、设备、印制板、等等各个 要素的转化涉及的技术问题也将逐步得到解决。但是由于各要素的转化技术难度不一，实施的成本不同， 更重要的是相关环保法规限制范围和实施时间的差异，再加上部分豁免的条款，导致了无铅化实施过程中 各要素无铅化的进度不一致。比如，工艺中已经使用无铅焊料与工艺参数了，但某些零部件还是有铅的；更 多的情况是目前仍然使用锡铅焊料而采购的零部件已经无铅化，在许多消费电子中典型BGA封装的核心芯 片已经无铅化，但是由于国内由于法规并没有马上禁止铅的使用，以及欧盟的Roils也有多项的铅的豁免， 使得目前大量的消费电子产品和高端通信产品、特别是军用电子装备仍然使用锡铅焊料进行焊接组装的工 艺。预计这种无铅／有铅混合组装的工艺将仍然会持续相当长一段时期。由于人们初期对这种混合组装工 艺的可靠性缺乏足够的研究，导致相关质量与可靠性问题频频发生。本文分析总结两类由无铅BGA与锡铅 焊料混装所产生的典型可靠性问题及其原因，以期得到控制或预防这类问题的措施与。 2无铅BGA合金化不足问题的产生 对于使用焊锡膏进行贴装的焊接工艺，回流焊的工艺参数一般是针对所使用的焊锡膏进行回流为基础 来优化定制的，同时考虑到PCB、元器件及其分布的影响等因素。而对于回流焊接BGA类型的器件通常还 112 需要回漉焊时将其球形引脚熔化，并形成所谓的”二次坍塌“，这样才能够使焊点有克分的金属化以及器件 本身有很好的自动校正效果，这样才能获得可靠的BGA焊点。 对于使用有铅的焊锡青聋组装无铅的BGA，如果按照传统的有铅焊锡青的回沉工艺参数进行焊接的 话，可能台存在很大的问题。由于有铅锡膏回流时的峰值温度一般不高于2259，最高不能超过235。，否则会 对其它有铅的零部件造成热掼伤，典型的回拼c时间(TAL)也只能在45s左右。而球形引脚采用锡银铜 (SAC)焊料的无铅BGA按照这个工艺条件．焊料球熔融充分的可能性非常小，方面由于该类型器件高密 度．施热设备的加热效率很难在此温度范围确保焊料球熔融所需的热最，另外一方面．锡银铜焊料球本身的 熔点区域(217。G～220'U)明显高于锡竹焊料熔融温度(I83气)，球形焊料吸热至熔融所需要的热容也明显 增加。此外，由于太多散焊料球本身在BGA封装时都彤成r较为粗大的结晶颗粒，使得焊料之问的扩散或 金属化更为困难。上述原眉导致了使用普通的锡铅焊锚膏进行回流的工艺，通常不能使无铅的焊料球熔融 乃至“二次坍塌”，这样一来即使焊锡膏对焊料球或PCB的焊盘有很好的浸润或台盒化，也无法得到可靠的 焊点．因为在焊点界面上扩散与合金化都很差．无法形成良好的金属问化物．这类间盟的典型案例见图I，结 构疏橙强度薄弱的焊盘面界层显而易见。如果BGA器件越大或焊盘越小。卫使用绿油定义的焊盘．则类 似同题越发严重。从围1上显示的图片可以清楚看到，焊锡膏的浸捌性并不存在任何问题，是明显的热容不 足导致丁焊盘界面的合金化不能完成，焊料球体的形状以盈粗糙的金相结构也证实r遗一点。 图I无铅BGA／锡铅焊铬膏目流后的}盘埠点的典!盒相照片(ENIGn理的焊＆) 显然，其它形式封装的元器件的要焊接的引线脚很少有类似问题，主要是它们役右类似BGA这样的需 要大量吸热的焊料球．而只需要可焊性保证就可以丁。 3富磷层的形成与危害 使用ENIG(化学镍金)处理的PCB．如果工艺控制不当．常常晷易出现强度薄弱的富磷层。其基本的原 理是，在焊接时焊盘表面真正与焊料形成合金屡的是ENIG中的镰镀层，焊瓿界面典型的金属问化物台金是 Ni，Sn．(或是(NihCu，)，Sn。)．而镍镀屠中的磷是不参与金属化的，但是在镍镀层中，磷占有一定比例并且 均匀升布的，这样一米，在镍参与合金化后局部多余的磷将会富集下来，集中在合金层的边缘形成富磷层， 如果富磷层足够厚．其强度将大打折扣，在焊点受到外来的应力时．富磷层将是首先破坏的薄弱环节，这时 焊点的可靠性必然明显受到影响。特别是在高热容的尤铅工艺过程中，如果工艺控制年良．金属间化物常 常较厚，导致富余的礴更多，富礤层就越发明显，焊点的可靠性就面临危险。典型的富磷层见图2中的金属 问他物与镍镀层之间的黑色地带．该黑色带状区域可咀用能谱(EDs)分析证实其吉有极高含量的磷。太赶 的失效案例证明，富磷层的存在是焊点玎裂失救的一个主要的失教原因。 而jf丁无铅BGA与锚铅焊锡膏纽装的焊点，也常常容易出现类似的富磷层问题主夏是由于大家发现 崩有铅的工艺焊接组装尤铅的BCA常常出现台金化不良的问题．f是就加大回琉的程度，通过延长回流时 间或温度．促使回流克分．但是由于控制不当，虽然焊锡膏与焊科球的金属化好r．{H是焊锡膏与焊盘的界 113 Ⅺ，f#* 20b0{¨2 图3无铅BCA／有错I艺焊点由f富礴层而导致∞失教的典型照片 一般来讲，这些生成了富磷层的焊点中．首先出现开裂的部位一般都在应力较为集中的器件周围或角 的部位，刚此需要在设计、工艺以丑PCB的选择等方面尽量避免存在局部应力过大的问题。同时我们还注 意副．锡铝焊料中的铅在充分回流后及台金化后，均匀的分布在这个焊料球中的晶界上，投有在局部形成所 请的富铅层。因此，无需担心铅的富集给焊点带来早期失效的可靠性问题，至于是否影响该类焊点的长期 可靠性，则需要做更多进一步的研究来求证。 4合金化不足与过厚富磷层的预防与控制 在环保法规没有彻底全面禁止铅的使用．以及无话焊接的可靠性问题没有彻底解央以前．王铅BGA与 有铅焊料进行混台组装的焊接工艺将会长期存在。由于人们对这种混合组装工艺可能产生的问题认识不 足．导致目前类似上述问题在行业内频频发生。为了避免在有铅的回流工艺条件下，要么回流不足导致合 金化不良，要么回流过头导致富磷层的产生等同题。基于问题生产的机理．作者建议采取相应的手段予以 114 预防和控制： (1)设计工艺时要考虑所使用的元器件的耐受最高温度的范围，避免元器件的内外部的损伤，当在最高 允许温度时回流仍然不能满足无铅BGA焊料球合金化的要求时，建议考虑延长TAL(回流)的时问，以增大 热量的供给，必要时延长回流前预热的时间。 (2)选择的PCB的变形要足够小，以避免焊接后形变导致局部焊点所受应力过大，或设计元器件在 PCB版面的布局时，要多考虑无铅BGA的施热效率问题。 (3)正式生产前进行严格的工艺优化试验，避免回流不足引起虚焊或过渡回流引起过厚富磷层的产生， 主要手段是通过金相切片，分析金属问化物的生长情况以及BGA焊料球的高宽比，将其控制在一个合理的 范围。 此外，为了避免富磷层的产生，还需要对PCB的焊盘镀层的质量进行控制，特别是镍镀层中的镍磷的比 例要适当并且要求表面没有腐蚀迹象。 5结束语 在导入无铅工艺、特别是这种无铅有铅混装工艺的时候，由于工艺窗口已经发生了很大的变化。因此， 在正式进行大生产之前，需要做大量的工艺优化试验来确定最佳的工艺参数，除了从外观来检查焊点的状 况以外，还需要使用切片与电镜等手段从微观的角度来检查其可靠性以及潜在的可靠性风险，避免回流不 足引起虚焊或过渡回流引起焊点中过厚富磷层的产生。 115