|
PCBA无铅焊点机械性能可靠性测试研究
贾变芬 朱建 刘哲 中兴通讯股份有限公司
摘 要：
随着欧盟ROHS指令对电子产品中有害物质的使用作了限定，引发了电子产业界无铅化的应用研究，并随着无铅化研究的逐渐深入，无铅化应用研究工程中，为保证产品的质量，可靠性系列问题就越来越突出，本文主要对无铅导入过程中PCBA无铅焊点几种常见的机械性能可靠性测试试验进行了描述，测试的内容包含三点弯曲测试、焊点拉伸实验和剪切实验。
关键词：无铅 焊点 可靠性 机械性能测试 PCBA
Abstract:
Because of RoHS directive about the Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment, investigation of lead free application in electronic industry has been performed for a long time, and reliability has been considered as a very important facet to guarantee the quality of product.
Three different types of mechanical tests are conducted to investigate the reliability of surface mounted printed circuit board assemblies with lead-free solder joints. The performed tasks include 3-point bending, package pull, and package shear tests.
Key words: Lead-free, Solder Joint, Reliability , Mechanical characteristics, PCBA
环境保护得到了全球许多国家的重视，欧盟有ROHS指令〔1〕和WEEE指令〔2〕，美国和日本等发达国家也都有相关的环境物质限制使用条例，我国的《电子信息产品污染防治管理办法》也即将出台。对于电子产品来说，组装时必须面临的问题有将传统的锡铅共晶焊料采用新型无铅焊料代替问题，以及PCB和元器件等也都有不同的无铅转换问题，如SnAgCu合金系列〔3,4〕、锡须问题〔5,6〕、焊点剥离缺陷〔7,8〕和界面金属间化合物等，这些问题在许多研究中都已经有说明。
产品成本被关注的同时，可靠性问题已经成为无铅应用中一个重要的研究方向，本文主要对无铅导入过程中PCBA无铅焊点的机械性能可靠性测试试验进行了相关的描述，测试方法包含三点弯曲测试、焊点拉伸实验和剪切实验。
1、封装样本描述
本次试验所使用的样本描述，请参见表1。
表1 机械性能试验测试样本描述
|
项目
|
样本描述
|
对应封装类型
|
|
三点弯曲试验
|
PCBA (BAA7)
|
SBGA, PLCC, QFN48
|
|
PCBA (BAB7)
|
PLCC
|
|
PCBA (BAB8)
|
FBGA, PLCC
|
|
PCBA (BAC7)
|
CBGA, SBGA, QFN48
|
|
封装拉伸测试
|
PCBA(BAA7)
|
FBGA
|
|
PCBA(BAA8)
|
CSP, TV46, QFN48, CBGA, PLCC
|
|
PCBA(BAB7)
|
CSP, FBGA, QFN48
|
|
PCBA(BAB8)
|
QFN48
|
|
PCBA(BAC7)
|
CBGA, PLCC
|
|
封装剪切测试
|
PCBA(BAA7)
|
CSP, SBGA, TV, CBGA
|
|
PCBA(BAA8)
|
FBGA
|
|
PCBA(BAB7)
|
SBGA
|
|
PCBA(BAB8)
|
CSP, SBGA, TV, CBGA
|
|
PCBA(BAC7)
|
FBGA
|
2、三点弯曲测试
2.1 实验准备及程序
本试验设备通常要求低应力高精度的测试系统，可加载1KN的力。加载力的方向为单向，速度0.1 mm/s，加载力的位置在PCB中心。支撑系统的跨距为78mm，且封装体面朝下放置在中央（在加载力的压块的正下方），见图1所示。
图1 三点弯曲试验
2.2 三点弯曲测试结果摘要
表2是三点弯曲试验结果的概述，BAC7 – CBGA和SBGA的三点弯曲加载曲线见图2-3。通常，捕获最大的加载力和三点弯曲测试是完全一致的。同类型的封装，结果也是相当接近的。
表 2 三点弯曲试验结果
|
Package
|
Maximum Load (N)
|
|
BAC7 – CBGA
|
206
|
|
BAC7 – SBGA
|
272
|
|
BAA7 – SBGA
|
287
|
|
BAB8 – FBGA
|
147
|
|
BAA7 – PLCC
|
82
|
|
BAB7 – PLCC
|
67
|
|
BAB8 – PLCC
|
74
|
|
BAA7 – QFN48
|
170
|
|
BAC7 – QFN48
|
141
|
3、封装拉伸测试
3.1 实验设置及程序
测试小的封装的实验设备，通常要求低应力高精度的测试系统，可加载1KN的力。实验设置如图4所示，是用环氧胶将样品粘合到丙烯酸棒上，拉伸速度为0.1 mm/s。
图 4: 小封装拉伸实验的设置
测试大的封装的实验设备，使用Universal的MTS测试设备，可加载50KN的力。实验设置如图5所示，是用环氧胶将样品粘合到铝块上 ，拉伸速度为0.1 mm/s。
图5 大封装拉伸实验的设置
3.2 封装拉伸试验结果
表3是最大加载力的拉伸试验结果的概述，BAB8 – QFN48和CSP132的加载曲线见图6-7。图8-12所示为拉伸后的样品的几种失效模式。
表 3 封装的拉伸测试结果
|
Package
|
Maximum Load (N)
|
|
BAB7 – QFN48
|
335
|
|
BAB8 – QFN48
|
293
|
|
BAA8 – CSP132
|
155
|
|
BAB7 – FBGA
|
168
|
|
BAA7 - FBGA
|
150
|
|
BAA8 – CBGA
|
334
|
|
BAC7 - CBGA
|
376
|
|
BAA8 – PLCC
|
163
|
|
BAC7 – PLCC
|
112
|
图8: BAB8 – QFN48失效模式
图9: BAA8 – CSP132失效模式
图10: BAB7 – FBGA失效模式
图11: BAA8 – CBGA失效模式
图12: BAA8 – PLCC失效模式
3.3 结果分析
通常，封装拉伸实验的获得的最大加载力相当一致，其中同一类型的封装，结果是接近的。TV46和QFN48 在BAA8上，以及CSP和QFN48 在BAB7 的失效，是在元器件上或EMC上，是焊点之外的失效。它显示了焊点的结合力强于硅片或EMC。同样，此失效模式显示焊点的结合力相当强。几乎所有的装配失效都在PCB的铜盘或铜盘下基底层上，这个案例是在测试时，全部的铜盘以及菊花链全部从基材下拉断。因此，在封装加载时，焊点没有不牢固的地方。
4、封装剪切强度测试、
4.1 实验设置及程序
图13 封装剪切强度测试的实验设置
图13 封装剪切强度测试的实验设置
本测试使用Universal的MTS测试设备，可加载50KN的力。实验设置如图13所示，剪切速度为0.1 mm/s。
4.2 封装剪切强度测试结果
表4是封装剪切强度测试实验结果的概述，BAA7和BAB8的CSP的加载曲线见图14-15。图16-23所示为剪切测试后样品的几种失效模式。
表4 封装剪切力测试结果
|
Package
|
Maximum Load (N)
|
|
BAA7 – CSP
|
396
|
|
BAB8 - CSP
|
404
|
|
BAA7 – SBGA
|
6630
|
|
BAB7 - SBGA
|
6612
|
|
BAB8 – SBGA
|
6668
|
|
BAB8 – TV
|
139
|
|
BAA7 – TV
|
137
|
|
BAA8 – FBGA
|
365
|
|
BAC7 – FBGA
|
360
|
|
BAA7 – CBGA
|
7894
|
|
BAB8 – CBGA
|
7930
|
图16: BAA7–CSP失效模式 图17: BAB8 – CSP失效模式
图18: BAA7 – SBGA失效模式
图19: BAB8 – TV失效模式 图20: BAA7 – TV失效模式
图21: BAA8 – FBGA失效模式 图22: BAC7 – FBGA失效模式
图23: BAA7 – CBGA失效模式
4.3 结果分析
通常，封装剪切实验获得的最大加载力相当一致，其中一些类型的封装，其结果是非常接近的。同类封装在剪切测试是得到了相似的结果，大多数的封装失效发生在PCB的铜盘或基材上。这显示出，在对封装施加剪切力时，焊点的结合力是牢固的。
5、结论
在对无铅焊点可靠性研究中，焊点的机械性能十分重要，它直接影响到产品的最终可靠性能。通常测试焊点机械性能的方法有C-SAM、X-ray、三点弯曲实验、封装拉伸测试和封装剪切强度实验等。通过这些方法对无铅焊点机械性能进行研究，可对相关失效进行定位，为今后优化改进提供依据。
1） 进行C-SAM和X-ray检查，其得出的非破坏性的检查结果，对于选择封装和SMT组装后的PCBA，作为机械可靠性测试样品，是一个很好的条件。
2） 三点弯曲实验的数据是相当一致的，同类型封装的最大加载力是相当接近的。
3） 封装拉伸测试获得的试验数据是比较一致的。通常，其中同类的封装拉伸实验的获得的最大加载力，结果是接近的。几乎所有的装配失效都在PCB的铜盘或铜盘下基底层上，这个案例是在测试时，全部的铜盘以及菊花链全部从基材下拉断。因此，在封装加载时，焊点没有不牢固的地方。
4） 封装剪切强度实验获得的最大加载力相当一致，其中同类型的封装，其结果是非常接近的。和封装拉伸测试相似，大多数的封装失效发生在PCB的铜盘或基材上。这显示出，在对封装施加剪切力时，焊点的结合力是牢固的。
5） 依据上述机械可靠性测试数据可以得出下列的推论，制造这些样品的无铅焊点的SMT工艺是稳定的。实验书据显示，大多数的封装失效发生在PCB的铜盘或基材上，相对而言，无铅焊点具有更高的的结合力。但是，其他方面来说，印制线路板的质量焊点可靠性测试需要关注的问题（特别是：铜箔在基材上的附着力），更多的关注点应该是原材料及PCB供应商的认证。
参考文献：
[1] Directive 2002/96/EC of the European Parliament and of the Council of 27 January 2003 on the Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment , Official Journal of the European Union, L37, 19-23, 2003
[2] Directive 2002/96/EC of the European Parliament and of the Council of 27 January 2003 on Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE), Official Journal of the European Union, L37, 24-38, 2003
[3] Ikuo shohji, Tomohiro Yoshida, Takehiko Takahashi and Susumu Hioki, Tensile Properties of Sn-3.5Ag and Sn-3.5Ag-0.75Cu Lead-free solders, Materials Transactions, 43(8),1854(2002)
[4] K.W.Moon.W.J.Boettinger.U.R.Kattner, F.S.Biancaniello, C.A.Handwerker, Experimental and Thermodynamic Assessment of Sn-Ag-Cu Solder Alloys, Journal of Electronic Materials,29(10),1122(2000)
[5] N Vo, I. Boguslavsky and P. Bush, NEMI recommends standard test method to assess propensity for in whisker growth, Surface Mount Technology, Nov.2003
[6] G.T. Gallyon, Annotated tin whisker bibliography and anthology, NEMI Monograph, Nov.2003
[7] Y.Momokawa and N. Ishizuka, Delamination by reheating in SMD solder joint using lead-free solder, NEC Res.&Develop., 2003, 44(3),251-255
[8] B. Willis, Lead-free fillet lifting – It happens in reflow and wave soldering , from http://www.bobwillis.co.uk
[align=right][color=#000066][此贴子已经被作者于2005-5-17 15:43:02编辑过][/color][/align]
<|||>
贾变芬 朱建 刘哲<|||>
<|||>
中兴通讯股份有限公司<|||>
<|||>
2005-5-17 |
