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比较无铅封装的热性能
作者:Michael Meilunas 和 Anthony Primavera博士，环球仪器；Steven O. Dunford，诺基亚移动电话公司
由于即将生效的法规正促使电子产品加快向无铅方向发展，电子行业需要确定合适的合金焊料替代品及相关工艺。元件制造商及装配企业必须深入了解利用最流行无铅合金焊料装配的现代化封装类型的可能特性，包括热性能和潜在的失效模式。
环球仪器（Universal Instruments）SMT实验室通过检验三种主流无铅合金，并与普通锡/铅共晶焊料的特性相比较，对比了无铅、1.27mm间距、256个I/O口 BGA器件中二级互连、空对空热循环的可靠性和相关的失效模式。选用的无铅合金配比为6.5Sn/3.5Ag、 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu，以及95.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.5Sb。
测试样本参数
为了正确地评估这些合金类型，一般BGA装置用相同的元件载体基底将采用印刷助焊剂和预成形直径0.762mm (30.0mil) 焊球的方法，在内部生成凸起。这些元件设计专为显示标准BGA器件的热机械特性，并装配到由一家制造商提供的无电镀镍/浸金 (ENIG) 和铜质OSP（有机可焊性保护涂层）印刷电路板（PCB）上。装配件将根据装配过程中的回流焊温度曲线，分成两个测试组TG1和TG2。测试并采用针对Sn/Pb和无铅工艺开发的四种ramp-soak-ramp回流焊温度曲线。
热测试
装配的电路板会进行0/100℃热循环测试直至器件失效，并利用连续的事件检测加以确定。表1总结了两个测试组采用的热循环状况。对失效封装进行视觉检查，可将那些与焊料特性无关的失效如封装结构有误等，从后续的焊点寿命及失效分析中排除出来。分析的内容包括计算每种焊料合金的特征寿命（Eta）、失效焊点截面的视觉比较，以及失效频率图。
 特征寿命
表2总结了所有被测试封装的Eta值，包括那些装配到ENIG 和 OSP 电路板的封装。在每种测试条件下，Sn/Pb合金的Eta值均最低。通常，Sn/Ag合金的特征寿命明显较其它材料高。Sn/Ag/Cu 和 Sn/Ag/Cu/Sb合金的区别则不大明显。总言之，Sn/Pb和无铅合金的可靠性区别与先前的结果一致。 
失效分析
接近85％的测试样本会进入热循环后分析。所有样本都会经过X射线检查，许多样本更会进行横切，由4点连续性验证方法测定其失效位置。注意横截面毋需通过焊点的中平面，因为很多封装都没有电气开启，而是从初始状态呈现阻抗上升。采用染料渗透分析法，可汇编出最易失效焊点位置的相关统计数据 (如有的话)。
Sn/Pb焊料装配失效
所有鉴定的Sn/Pb失效均包含焊点断裂。每处断裂的主因在於元件体附近焊点的焊料掩模区大量焊料的疲劳，从而形成明显的裂纹路径。
无铅焊料装配失效
无铅焊料装配失效分析显示，不仅有着多种失效模式，还存在着与合金相关的许多有趣和重要的课题。最令人注意的是两种截然不同断裂路径的存在：类似Sn/Pb失效的明显裂纹，以及不使用SEM（扫描电子显微镜）就难以检测到的细小微裂纹。明显的裂纹可轻易通过4点连续性测量确定位置。然而，图1显示一条非常细小的裂纹，通过Sn/Ag/Cu焊点延生出多个前端，呈现出“破碎状”。
 该焊点在7598次循环测试后失效。一部分裂缝出现在分散的焊料处，另一部分则延伸到金属间区域。其它论文也有提及Sn/Ag合金在金属间区域内及附近微裂纹的形成、位置和蔓延。金属间化合物对焊点可靠性的影响是它们有可能增强焊点的稳定性。就上述实验中的失效焊点进行横切，可以对无铅金属间化合物的形成进行广泛的研究。
这项实验的“破碎状”裂纹通常很难用4点仪表检查出来，而需要仔细比较热循环前和热循环后阻抗测量结果来确定位置。此外，含有微裂纹装配件相应的事件检测器输出，与噪声或间歇失效相关的输出非常类似。事件检测标准基于IPC SM-785，阻抗级别为300W，持续时间200纳秒。然而，在热循环过程中，利用更加灵敏的事件检测系统测试某些无铅样本，可在40纳秒内检测到小至5-25W 的阻抗变化。这些低阻抗水平并证实与裂缝蔓延相符。因此与共晶Sn/Pb焊料相比，测试无铅焊料时检测系统应选择较低的阻抗阈值。
一般而言，单一路径的宽裂纹通常出现在SMD焊点区域的元件体附近。然而，“破碎状”裂纹则通常发生在PCB焊垫附近，因为它们靠近元件的焊垫。
图2 所示为铜质OSP PCB焊垫上 Sn/Ag合金焊点区域。穿过分散焊料的裂纹在NSMD PCB焊垫周围蔓延。失效循环次数和“破碎状”裂纹位置（元件面相对于PCB面）之间没有发现存在相关性，失效裂缝类型和失效循环次数之间也没有发现相关性。
在数个无铅样本失效中，发现与Sn/Pb样本中类似的垂直裂纹。焊点的电气特性良好，无论是事件监测器还是4点测量法都无法发现垂直裂纹。然而，视觉检测能识别出许多装配中的垂直裂缝，远远大于Sn/Pb样本中的裂纹。这些垂直裂纹可能在面内裂纹形成以前，就导致某些无铅样本发生散裂，这形成了一种新的失效模式。
压力引起的裂纹
在无铅装配中发现另一种现象，被称作“沉孔（Sinkhole）”。沉孔是源于焊点表面的细长裂缝，似乎在回流焊过程中形成，并在热循环过程中长成。沉孔最常见于Sn/Ag/Cu和 Sn/Ag/Cu/Sb合金。图3所示得截面图显示一条沉孔在Sn/Ag/Cu/Sb焊点内的延伸长度约为0.138mm（大约是焊点直径的六分一）。沉孔对焊点热性能或机械性能的影响尚未确定。焊点失效与沉孔无直接关系。
失效频率图
BGA样本专为产生均匀的热膨胀系数而设计。将如此设计的元件贴装到PCB上，在热循环过程中，其焊点应力与其焊点中性点距离（DNP）成正比关系。根据现有的数学模型，DNP最大的边角焊点（corner-most joints）应该最易遭受焊接疲劳的损害。该项假设对于Sn/Pb装配是成立的，而实验中对Sn/Pb BGA所作的测试也证实了这点。然而，为了评估该假设对无铅装配的效用，每个测试组均对无铅装配进行染料渗透分析，以测定哪个焊点位置有可能失效。因此需要使用低气压将染料渗入无铅焊点的细微裂纹中。
失效频率图显示的BGA焊点数量以及它们在焊点阵列中的位置表明，约有25%或更多的焊点出现疲劳。假如将标准降至25%以下，更多的焊点将包含在图表内，因为焊点阵列布满了微小的裂纹。 与模型相反，如图4总结的38个 Sn/Ag/Cu BGA样本测试结果显示，很明显失效位置随机分布于整个焊点阵列。失效位置和PCB绿漆之间无显着区别。而33个Sn/Ag/Cu/Sb合金样本测试到类似的结果（图5）。 
另一方面，失效Sn/Ag焊点的类似分析显示，对于这类合金，边角焊点的初期失效与DNP假设一致（图6）。
铅焊料合金可在许多应用中取代Sn/Pb合金。在0/100℃热循环测试中，Sn/Ag、Sn/Ag/Cu和Sn/Ag/Cu/Sb BGA的可靠性高于Sn/Pb BGA元件。Sn/Ag焊料的Eta最高，是普通Sn/Pb共晶焊料的两倍。
无铅装配系统会出现三种疲劳机制，分别为典型的元件面疲劳、多裂纹焊接疲劳，以及垂直裂纹。元件面疲劳通常出现于PCB/元件界面下焊点的SMD区域的分散焊料处 。细小的多裂纹焊接疲劳出现于焊点的元件面和PCB面附近，一般难以用4点阻抗测量法检测。沿着焊点表面的垂直裂纹可能在热循环过程中出现，并且可能导致焊点散裂。金属间化合板的形成可改变裂缝蔓延的方向，有助改善无铅焊点的可靠性。染料渗透分析显示，使用DNP的计算预测Sn/Ag/Cu 和 Sn/Ag/Cu/Sb合金的可靠性并不凑效。
研究显示，无铅装配的失效次数、失效机制和失效位置与Sn/Pb装配有着显著的区别，需要进行更多的研究以更深入地了解无铅焊接的性能及效果.
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