无铅电子产品可靠性

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1、无铅电子产品的可靠性文摘电子工业正向无铅电子产品转移，既为了符合政府法规，也为了通过产品的差异性提高市场份额。考虑到含铅电子产品已经使用了40多年，所以采用无铅技术代表了重大的变化。无铅电子产品的制造涉及利用无铅焊料合金将无铅元件装配到无铅印刷电路板上。学术界及工业界针对的关键问题包括无铅焊料合金的选择、无铅焊料合金的性质特点及在各种应力负载条件下的性状，无铅制造、物流及知识产权问题、无铅装配可靠性评价。CALCEEPSC一直从事于研究，使工业界能顺利地转向无铅电子产品。本文综述了CALCEEPSC所承

2、担的对各种问题的研究，包括焊点可靠性、金属间生长和元件水平可靠性问题（如在贵金属预镀引线座元件中锡枝状晶体析出及蠕变腐蚀）。本文还提出了为了保证无铅电子产品的长期可靠性所需要进行的研究，并探讨了正在进行的实验研究。1.引言为了符合各项政府法规及社会问题，电子工业正从锡-铅产品向无铅产品转移。这种转移是被产量大的消费电子、计算机和通讯工业所驱动的[1-6]。在名为《无铅电子产品》[1]这本书中介绍了工业的现状、以及与无铅电子转移相关的关键技术问题和商业问题。从定义上看，无铅焊接组件涉及的是仅使用无铅材料。

3、这既适用于印刷电路板（PCB）的焊接材料（即表面安装型的焊膏或通孔组件的波焊）也适用于元件端子及PCB安装贴片上的表面电镀。Ganesan和Pecht[1]对无铅焊料合金成分进行了概述。目前，银、铜、铋及锑的不同组合而形成的富锡合金是无铅焊料主要的可选材料。在这些材料中，锡-银-铜（SAC）共晶合金（其熔点约217°C），似乎是一种最有前景的组成，这是基于目前工业趋势，以及CALCEEPSC、国际锡研究所（ITRI）、国家电子制造促进会（NEMI）和日本电子信息技术工业协会（JEITA）的推荐。三元SA

4、C合金有300多项无铅专利。专利取决于这样一些因素如“焊料合金组成”、“焊点”或“金属间化合物”。有关无铅合金的专利和知识产权问题已经在CALCE承担的研究中进行了讨论。CALCEEPSC还承担了日本无铅电子现状的研究[16-17]、无铅转移对制造的影响研究[18-20]、无铅陶瓷片状电容器的断裂研究[21-22]、无铅焊点的性能研究[23-24]、无铅小片连接的疲劳[25]。此外，CALCE已经进行了各种可靠性研究，这将在下面讨论。2.无铅可靠性研究可靠性是向无铅电子产品转移中关注的问题。在利用无铅焊

5、料时突出的可靠性问题是，焊点可靠性、金属间生长、预镀引线座元件的蠕变腐蚀和锡枝状晶体析出。在各种研究中已经针对这些问题进行了探讨，在本部分将详细介绍。2.1CALCE的焊点研究下面是基于无铅焊点可靠性文献而得出几个突出点。首先，这些研究中90%以上是利用SnAgCu（锡-银-铜）合金进行的。其次，已经考虑了各种各样的电子组装，但大多数都是表面安装区域布阵的元件如：球栅阵列（BGA）、晶片比例封装（CSP）、倒焊晶片（FP）封装、方形平装（QFP）。结果发现，对无铅波焊装配的通孔元件的无铅焊点长期可靠性的

6、研究不够；特别是，单面电路板。第三，已经研究了无铅焊点在循环温度条件下的热机械耐久性，极端温度循环范围有：0~+100°C、-40~+125°C或-55~+125°C，而-40ºC~125ºC温度循环是最广泛采用的。在上述试验条件下失效前的循环次数一般达到几千次。另一方面，在使用寿命过程中焊点所经历的应力状况。与含有非柔性焊点的无铅陶瓷晶片组装（热不匹配应力大）相比，组装（如QFP和PBGA）中的焊点所经受的应力较少（由于焊点的柔性和热不匹配应力低）。CALCE以往的研究得出结论，非柔性无铅焊点（如在无

7、铅陶瓷晶片载体中的）的性能低于锡铅（Sn-Pb）焊点[5-13]的性能。另一方面，对于塑料QFP和PBGA，情况正好相反（无铅焊点的性能高于锡铅焊点），这与工业界及学术界的几个独立的研究所报告的热-机械耐久性结果是一致的。最后，发现在振动负载条件下失效前循环的次数大大低于温度循环下的次数。然而，与单一负载试验相比，组合负载条件可能更代表实际的应用环境。目前还没有在组合负载条件（如温度循环和振动条件）下无铅电子产品的长期可靠性的数据。2.2CALCE金属间化合物的研究为了产生可靠的焊点，在焊料-贴片界面上

8、金属间化合物（IMC）的形成是必要的。然而，生成的IMC过多则会导致界面脆化，从而在产品的使用寿命期间引起焊料失效。IMC的形成基于两个因素：在焊接过程中焊料合金与贴片金属间的润湿反应；在产品的储存及使用寿命期间固体状态的老化。在润湿反应过程中，焊料中存在的锡与贴片金属发生化学反应形成金属间化合物（IMC）。IMC形成的程度取决于贴片金属的类型，如铜、镍、浸银或浸锡。在贴片金属含有铜、浸锡和浸银的情况下，则形成铜-锡IMC。而在浸银的情况下