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采用無鉛產品會使產品是否導致返修率上升
點擊次數：1304 發布時間：2015-5-22
通用汽車的一位可靠性專家zui近表示：“你知道無鉛帶來的問題嗎？沒有人能夠回答這樣一個簡單的問題：如果我所制造的無鉛產品的質量與用錫鉛的產品一樣，它們工作的時間能一樣長嗎？"
問題很簡單，答案也并不復雜。經過多年的研究和試驗，UV老化試驗箱研究人員已經把影響無鉛產品長期可靠性的因素歸結到以下5個方面。
● 錫須
● Kirkendall空洞
● 無鉛焊料的機械震動
● 無鉛焊料的熱循環
● 導電陽極絲(CAF)
錫須
錫須是從元器件和接頭的錫鍍層上生長出來的，如果這些導電的錫須長得太長的話，可能連到其他線路上，并導致電氣短路。通過在器件引腳上使用90Sn10Pb鍍層已經有效地消除了錫須問題，但現在這個問題又冒了出來。
有些公司用鍍純錫的器件生產了大量的無鉛產品，UV老化試驗箱已經發現使用過程中的錫須問題，并且在不到2年的時間內就會出現故障。雖然還不清楚實際的故障率，但證據顯示錫須故障并未使總體的產品返修率增加。由于在細引腳器件上鍍錫是zui近三四年才有的事情，錫須對長期可靠性的影響還有待觀察。
如果你不是在設計可能會造成人身傷害的產品，元器件和連接器就要首先考慮是不是具有下面這些特點。
● 引腳間距小于1mm(有些公司采用的間距小于0.3mm)
● 可采用金屬外殼(例如通孔晶振或振蕩器)
● 受積壓的連接點(例如接頭彎曲的電路)
● 有焊縫(例如電解電容)
一旦確定了關鍵器件，你應該要求器件生產商提供基于iNEMI建議或JEDEC標準JESD22A121的認證測試。業界對故障的定義幾乎還是空白，UV老化試驗箱所以你也許需要提出自己的標準。標準既可以是數值，例如zui大的晶須長度不能超過25、50或75μm，也可以是相對數值(如zui小間距的1/3或1/2)。
Kirkendall空洞
在兩種不相近的材料之間，由于擴散速率的不同所產生的空洞就稱為Kirkendall空洞，這種空洞產生機制在SnPb和無鉛焊料中均存在。在zui近的實驗中，SnPb焊料中會產生很嚴重的空洞。但在過去30年的表面安裝技術使用過程中，還沒有因為Kirkendall空洞導致產品故障的報告。
在無鉛焊料中，Kirkendall空洞是由一些未知因素造成的，UV老化試驗箱似乎會使問題更加嚴重，尤其是在長期的高溫條件下。
機械震動
即使你沒有碰到過Kirkendall空洞，對因機械震動或跌落造成的產品性能下降還是要有所準備。有研究表明，在被施加震動、跌落或電路板被彎曲時，SAC(SnAgCu)焊料合金的失效負載還不到SnPb合金的一半。這種性能損失似乎是幾個因素的共同作用，包括脆弱的金屬間化合，因更高的回流焊接溫度而導致的電路板降級，由于SAC比SnPb更硬而傳遞了更大的應力。
這到底是一個長期可靠性問題，還是從一開始就是一個質量問題呢？便攜式電子產品制造商的無鉛化已經實施了數年，還沒有因為跌落導致返修率增加的報告。有些公司把注意力集中到如何更好地控制制造環境，特別是減小zui大的允許張力，從1000微肋變減少到750或500微肋變。
熱循環
在某些特定的情況下，SnPb材料的熱性能比無鉛的要好，UV老化試驗箱應該考慮下面的一些情況。
● 對焊點疲勞高度敏感的元件(如大型片上電阻、陶瓷封裝的BGA、無引腳陶瓷基片、未填充的芯片級封裝)。
● zui大的節點溫度超過80℃，駐留時間超過4小時(駐留時間隨溫度上升而下降)。
● 每天至少進行一次熱循環，預期使用壽命至少為10年(使用壽命隨循環頻率的增加而減小)。
如果你處在上面提到的這些情況下，就需要進行基于現有的無鉛焊料節點可靠性模型的加速壽命實驗來確定風險。公開的模型更可靠一些，Amkor和德國的Fraunhofer Institute為此做出了很多工作。
CAF的形成
導電陽極絲(CAF)是由銅絲沿著玻璃纖維或樹脂接口遷移形成的，會在相鄰的導體間產生內部的電氣短路，這對高密度電路板的設計來說是一個嚴重的問題，更高的回流焊溫度會導致該問題更易發生。有些大型PCB板生產商在使用無鉛回流焊時，就無法滿足用戶的CAF要求。
有些材料和加工工藝即使經過多次回流焊，也可以使UV老化試驗箱電路板避免CAF問題。不管怎樣，所有這些辦法都會增加成本，因為會用到的或私有的技術。這樣一來，除非客戶特別要求，許多PC板生產商就不會采用可防CAF的材料。
Interface Science(Goleta，CA)通過引入硅烷開發了一種很有前途的減緩技術，可使密度和玻璃纖維的硅烷外殼一致性達到zui大。更好的一致性可以使玻璃纖維和樹脂結合得更加緊密，減少了CAF發生的可能性。