1、在航空電子應用中無鉛和混合系統組件（SNPB/無鉛）的制造和可靠性Dave Nels on Hector Pallavici niRaythe on Compa nyMcKinn ey, TexasQian Zhang, Paul Friese n, Abhijit DasguptaCALCE Electro nics Products and Systems Cen terMecha ni cal Engin eeri ng Departme ntUniversity of MarylandCollege Park, Maryla nd摘要由于環境和政治方面的原因和盡管電子產品中鉛的使用對環

2、境的明顯的影響的潛在趨勢還不明確，但是，電子產品中使用鉛是人們不可回避的熱點話題。由于受到工藝和可靠性的限制，禁止使用鉛的立法已將整個產品目錄刪除?？雌鹗嵌喾N方式的電子制造，也就是說，某些組裝將使用傳統的共晶焊料，而其它的一些組裝將使用不同的無鉛合金，是確定無疑的。多種方式的制造結果是產品要求使用SnPb和無鉛元件。本文的研究旨在為航空電子工業提供無鉛和混合系統組件的可靠性數據。為了分析在極端的環境下幾種設計和組裝工藝的變量而設計了一種 CCA測試媒介物。CCA變量包括焊膏類型、焊料凸點類型、器件類型和使用的底部填充材料。焊膏包括Sn63/Pb37和（95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu ）合

3、金。焊料凸點是 SnPb或者是無鉛的。器件類型包括間距為0.5、0.75、0.8和1.27mm的面陣列元件?？梢钥紤]使用的底部填料有不可返修的底層填充或可以返修的底層填充。測試媒介物的設計可以通過測量菊花鏈環路的電阻來監控實時焊點互連。使用熱循環來強化環境測試中的CCA熱循環曲線是由-55 125C范圍內的溫度構成的，在達到一定熱量時停滯15分鐘；在冷卻溫度下停滯10分鐘，每分鐘的升溫速率為 5-10 Co關鍵詞：無鉛；制造；可靠性；航空電子學刖言此項測試是根據最初對無鉛組裝工藝的調查研究而設計的。本項研究的目的是展示制造無鉛組件所需的能力，同時為確定工藝方案對混合系統（包括SnPb和無鉛成分

4、）可靠性的影響的應用而提供的一種測試媒介物。在可靠性測試過程中考慮到的變量包括焊膏類型、焊料球成分和底部填料的應用。本項研究中采用的無鉛焊料體系是Sn AgCu三元合金體系。這種體系倍受人們的關注，而且國家電子制造協會（NEMI）對其進行了批注，推薦其作為無鉛成分：Sn/3.9Ag/0.6Cu 0.2%（SAC）。測試設計媒介物圖1所示是測試媒介物的圖片。PWB是由國家制造科學中心（NCM$高密度協會設計和提供的。該 PWB是一塊6層的化學鍍鎳浸金（ENIG）表面處理和非焊料掩膜屏蔽的焊盤的6.0X 4.0 X 0.063in 的高Tg FR4基板。PWB結構通過焊點與PWB和元件的互連而提供

5、了連續性。在環境應力測試過程中監控凈電阻，通過提高焊點開裂形成的電阻來探測焊點疲勞。upload=jpgUploadFile/2005-10/20051022102526468.jpg/upload圖1 NCMS測試媒介物貼裝到PWB上的5種類型器件，其主要差別是引線間距。使用的焊料凸點和焊膏成分有2種：Sn/37Pb （ SnPb）和（95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu）合金。表 1 和表 2 詳盡地列岀了PWB和器件特性。表3列出了板組裝的配置。元器件特性PBGA352fleXBGA144TABGA96BT48ATV46尺寸（mm）長度35.0012.008.008.237.87寬度35

6、.0012.008.005.005.76高度2.291.090.970.760.83球直徑0.760.460.300.300.30元件焊盤0.490.330.180.280.28封裝CTE ( ppm/ C)12.5/17.3*6.111.112.112.1間距（mm）1.270.800.500.750.75IN類型剛性柔性柔性柔性柔性I/O數量352144964846構造線焊引線框架焊盤清晰度焊料掩膜屏蔽芯片尺寸（mm）長度12.38.955.147.497.47寬度12.38.955.144.455.51厚度0.300.270.310.270.43*注意：在器件中心和器件角上測得的尺寸。表

7、1器件特性特性值材料高Tg FR-4環氧樹脂層數6表面涂飾厚度(卩m金0.35-0.98鎳0.84-1.26PWB CTE(ppm/ C )長軸17.8短軸14.5實際尺寸厚度0.063in長度6.0in寬度4.0in元器件焊盤尺寸(mm)PBGA3520.69FleXBGA1440.36TABGA960.28BT48A0.28TV460.28焊盤清晰度非焊料掩膜屏蔽表2 PWB特性焊料合金數量焊膏元器件底部填料4SACSAC沒有4SACSAC有4SnPbSAC沒有4SACSnPb沒有4SnPbSnPb沒有表3板子組裝配置組裝使用標準的 SMT工藝組裝測試媒介物。焊膏是類型3、R0焊劑。模板是

8、激光切割的、電拋光合金42，厚度為0.006in的模板，下面兩個臺階的厚度分別為0.005in 和0.004in ，為保持可接受的面積比。 再流工藝中采用了 7個區的惰性氣氛對流爐。 SnPb再流曲線的峰值 溫度范圍為 205.8 C -220.5 C,在183 C以上的平均時間為74.3sec。SAC再流曲線的峰值溫度范圍為 235.6 C -249.6 C,在217 C以上的平均時間為 71.8sec 此外，應對SAC系統的組裝實施底部填料?？煽啃詼y試在-55 C 125 C的溫度下進行熱循環，冷卻10分鐘，在極熱溫度下停滯15分鐘。根據對測試媒介物的測量，最高的升溫速率為10 C /mi

9、n。數據記錄器是用事件持續時間靈敏度為0.2微秒的配置的。事件被定義為凈電阻的上升超過300ohm。而故障則被定義為15個事件。每164秒記錄一次探測的事件。一旦一個凈電阻被認為是故障時，監控就停止。結果與討論組裝成品率X光斷層法是組裝后使用的主要檢測方法。表4中匯總的數據可供每種焊膏合金（再流曲線）的缺陷的比較。根據經驗，采用無鉛焊膏的PWB上產生的孔洞較多，其結果就會與以往的研究工作的效果相同1-4。應注意到目前為止還沒有任何公司對工藝進行了優化。使用的再流曲線是焊膏配制廠家的推薦的，而為SnPb系統開發的 X光程序則可用于所有的配置中。焊膏板子成品率缺陷類型%廠IMOSVSAC25%匚。

10、0016352SnPb42%00, 丨1丨 1031I :不足 M :未對齊 O :開路 S :短路 V :孔洞表4 X光焊料缺陷總結故障分析使用 Weilbull參數評估方法分析測試數據。Weibull分布通常用于可靠性的評估，因為它可以形成許多形狀，實現了大范圍的選擇壽命特性的仿真。Weibull技術可對故障時間進行分析。 Reliasoft Weibull 4.1軟件包使用等式1中的兩個參數的Weibull ProbalityDen sity Fun cti on計算參數。upload=jpgUploadFile/2005-10/20051022102711319.jpg/upload其

11、中：B =形狀參數=Betan =比例參數 =當達不到 63.2%時=Eta等式1 :兩個參數T =循環次數Weibull Probality De nsity Fun ction在撰寫此文時，測試媒介物已經過約2100次的循環。當前的目標是繼續進行測試，直到至少所有的凈分布達不到50%。表5列岀了各測試配置的故障概況。表6列岀了相同配置的Weibull 數據。測試條件2345焊膏系統焊膏SnPbXXSACXXX成分SnPbXXSACXXX底層填料XPBGA352故障16412110凈分布1616161616FleXBGA144故障212323245凈分布2424242424TABGA96故障

12、232423235凈分布2424242424BT48A*故障41116凈分布323216TV46故障55847凈分布1516161516*所有的BT46A器件都用 SnPb進行了金屬化處理。align=rightcolor=#000066此貼子已經被作者于2005-10-22 10:27:56 編輯過/color/在航空電子應用中無鉛和混合系統組件（SNPB/無鉛）的制造和可靠性（2）三I表5熱循環結果測試條件12345焊膏系統焊膏SnPbXXSACXXX成分SnPbXXSACXXX底層填料XPBGA352Eta1939*22712034*Beta6.464.433.7rho0.940.890

13、.98FleXBGA144Eta1429167812111508*Beta3.07.82.48.4*rho0.910.970.930.98TABGA96Eta1300116314951438*Beta6.24.55.53.1rho0.980.950.970.95BT48A*Eta*1169Beta3.7rho0.98TV46Eta*1554*Beta2.1rho9.6計算所需的數據不足。注意：1.當過早失效時，從第三種情況的分布中取消數據點-(2) PBGA352、TABGA962. fleXBGA144 的所有圖像說明了兩種不同分布。3.至少達不到 50%的凈電阻這種情況而進行的唯一計算。表

14、6 Weibull 數據PBGA352元件的Weibull數據說明混合的 SAC焊膏、SAC和SnPb系統的可靠性是可以比較的。這些數據與以往的數據是一致的5-7。應注意Weibull計算不能用于 SnPb焊膏混合系統，因為還沒有達到50%的凈含量。這一結果是沒有預料到的。upload=jpg預計混合的SnPb焊膏系統的可靠性較低，因為自對位能力較差、焊料球塌落不足和與低于無鉛的焊料球的熔點的峰值焊接溫度相關的晶粒生長7。然而，我們的測試結果卻說明混合的SnPb焊膏系統的作用類似于柱柵陣列元件，其較長的焊點改善了互連的疲勞壽命。獲得的fleXBGA144元件的數據也說明了SnPb、SAC和混合

15、系統的比較的結果。類似地，預料不到的結果是混合的SnPb焊膏系統達到了最佳的效果。TABGA96的數據與預期的結果極接近。混合的SAC焊膏、SAC和混合的SnPb系統的可靠性具有可比性?；旌系腟nPb焊膏系統達到了下限可靠性結果。在撰寫本文時，給BT48A和TV46元件做結論的數據是不足的。唯一可使用的Weibull數據（只有大于50%故障的凈值）是用于TV46混合SAC焊膏系統。在以往的研究文獻記載中，如果可靠性低于SnPb、SAC系統的話，混合SAC焊膏系統具有可比性5、7、8。到目前為止，純故障百分比看起來與這些結果不一致。需要探討的最后一組數據是SAC組裝，這類組裝的所有元件都要施加底

16、層填料。在以往的研究中，Kirch ner和Nels on發現通過對 PBGA和CSP元件施加底層填料可獲得明顯改善可靠性的效果9。凈值達不到50%的元件只有 BT48A。由于元件設計方面的因素，這些底層填料的元件的可靠性預計會下降，其包括柔性芯片與接線柱的鍵合。雖然，以往的測試是采用純SnPb系統，但是，同樣可以提高性能，對于BT48A而言，所觀察到的結果則是性能下降。媒介物特性鑒定對這5種類型器件組合和4種焊點結構的媒介物的特性進行鑒定。特性鑒定的主要目的是：a）在測試了媒介物組裝后，查找CCA中的缺陷。b）獲取所有組裝器件的幾何圖形，以便進行有限元分析。c）如果有必要的話，收集和測量熱膨

17、脹系數（CTE）和元件及PWB板子的其它材料性能。d）記錄焊點（SnPb焊料球/焊膏和SAC焊料球/焊膏這4種混合產品）的微結構。通過顯微切片、光學檢驗和測量實現了前兩個目的。為了更清楚地揭示焊料的微結構，使用5% HNO3 3%的HCL92%的CH3OH溶液進行幾秒鐘的蝕刻，將焊料腐蝕掉。通過電子掃描顯微鏡掃描的成分圖像來估計鉛雜質。圖2所示是5個組裝后的 BGA和CSP元件的典型的無鉛焊點的光學圖像。這些焊點是由SAC焊料球和焊膏形成的?？梢杂^察到除了TV46的孔洞較大外，所有焊點的外觀極好。還發現在其它三種設計有微過孔的元件（fleXBGA144、TABGA96 BT48A）中有孔洞。P

18、WB表面涂飾、助焊劑和再流曲線的優化應控制孔洞的產生。upload=jpgUploadFile/2005-10/2005102293524825.jpg/upload除了孔洞以外，BT48A封裝的所有焊點結構還存在有輕微的錯位現象。還發現PBGA352焊點中有薄層 AgsSn的金屬間相，不過，較小的焊點中沒有。很有可能是由于冷卻時間短和銀含量少的緣故。最后觀察到的是芯片面的金屬化合物層要比 PWE面的金屬化合物層厚得多，因為其經歷了二次再流循環。upload=jpgUploadFile/2005-10/2005102293524605.jpg/upload圖3所示是4種焊料球和焊膏混合的光學圖

19、像。由于三分之二以上的焊點是由焊料球材料構成的，所以，焊點的微結構受到焊料球特性的制約，與SAC元件比較，SnPb元件的外觀就顯得暗淡。應注意在這種四種情況下，焊料球和焊膏的熔融效果很好。即使在最差的混合條件下，圖3c中的焊料球的熔點要比焊膏的熔點高得多，而且再流溫度與焊膏熔點兼容，在顯微圖片上顯示出良好的焊點。實施蝕刻，以便觀察焊點的微結構。如圖4所示，upload=jpgUploadFile/2005-10/2005102293524938.jpg/upload在蝕刻后，可以更清楚地看到AgSn薄層和針形狀。還可以看到，這些薄層被分成二組：一組從金屬化層變成散焊料，而另一組從焊點的中心延伸

20、到周邊區域。蝕刻說明了兩種金相之間的差別，如圖5所示。在組裝后的 PBGA352 fleXBGA144、TABGA96和TV46元件焊點的幾何形狀在橫剖面后用光學顯微鏡進行測量。在FEA中示出了 PBGA352的幾何形狀。圖6所示是fleXBGA144、TABGA96和TV46的幾何形狀。upload=jpgUploadFile/2005-10/2005102293524939.jpg/upload表7列出測得的這三種焊點的數據。其它尺寸，如像芯片厚度、基板長度等是元件圖中所標出尺寸。使用這些幾何 尺寸制造這三種封裝的三維FE模型。在FEA中見到這類數據。這些封裝的材料特性是元件的制造廠家提供

21、的和從相關文獻中收集到的?？稍leXBGA144TABGA96TV46t1261920t2613854t321210599t4474638t5727064t6495249t7449232239l1128130133l2674969l3839390l4328246249l5355277274l6568358358l7384288304l8494427437表 7 測量的 fleXBGA144、TABGA96和 TV46 的數據有限元模擬和分析本節討論使用獲得的粘塑性對PBGA352封裝實施的有限元分析。有限元模擬和應力分析本文中的有限元分析有三個主要目的：a）比較無鉛焊點與共晶SnPb焊點的

22、熱機械、粘塑性。SMT封裝的FE分析b）從熱循環結果中獲得無鉛焊料的能量劃分破損模型常數和不同c）評估在軍用中無鉛焊料的加速熱循環測試的加速系數（AF）。本節論述一些最初的研究結果。本文中研究的封裝是FR4基板上的352個焊點的PBGA封裝。硅片尺寸是12.3 mmX 12.3 mrrK 0.3mm。FR4基板尺寸要比芯片大得多，在分析中只是模擬相關的元件（70.7 mm X 70.7 mm x 1.58 mm在橫剖面后，通過測量許多焊點的平均值而獲得焊點尺寸。圖7所示是焊點尺寸和銅焊盤。用ANSYS7.0實施非線性粘塑有限元分析。由于幾何形狀是對稱的，可將半對角的2D切片模擬用于 PBGA封

23、裝的分析中，見圖8所示。因為降低了計算時間和守恒損壞預測而采用2D平面應力有限元分析。在分析中使用了8個節點的有限元厚度。位移邊界條件是：1）模型左邊的所有節點（對稱軸）以X方向定位；2）左下角的節點不能夠以X或Y方向移動。圖9所示是FEA的溫度曲線。加熱時的升溫速率為6C /min，冷卻時的降溫速率為10 C /min。在高溫下的停滯時間為15分鐘，而在低溫下的停滯時間為 10分鐘。upload=jpgUploadFile/2005-10/2005102294328860.jpg/upload除焊料以外，所有的材料都是采用線性彈性方式。表8中所列是機械特性。其分別由Amkor技術的Lau和A

24、magai提供的10、11。材料楊式模量（Mpa）CTE ( ppm/ C)泊松比率銅141920-108T15.64+0.0041T0.35PWB共面24420-22.6T17.60.11Out10560-9.57T64.10.39硅194896-12.69T0.0095T-0.47290.28BT共面18450-11.91T15.450.11Out8050-5.19T5770.36芯片連接12001100.42模壓23626-26.2T200.30表8焊料的彈性和塑性與溫度的關系FE分析中12假設焊點要承受非線性粘塑變形。在以往研究中將彈性、塑性和穩態蠕變特性與溫度的關系用于在進行最后的分

25、析之前，對FE模型的目密度的感應性進行了研究。每個周期的對等蠕變應變范圍用于評估目密度敏感性。每個周期的對等蠕變應變范圍是許多元的平均值，其包括10%量的主要焊點（距芯片邊緣最近的一個焊點）如圖10所示，當有限元數量從40提高到112時，平均每個周期的對等蠕變應變是穩定的。此時，可將112有限元用于主要的焊點。圖11所示是最終的目布局。upload=jpgUploadFile/2005-10/2005102294328591.jpg/uploadFEA結果與討論為了獲得PBGA352封裝的穩定的粘塑結果，在FEM分析中進行了三次熱循環模擬。一般來說，在本項目的研究的第二個周期是穩定的。為了識別

26、最大的能量密度場，要監控關鍵焊料球的等高線圖。用關鍵能量密度場旁邊的區域面積來計算主要變量。在本段中，將比較和討論SAC和SnPb焊點之間的結果（使用圖7中的幾何圖形和圖 9中的溫度曲線）。圖12所示是開始在高溫下停滯時四種焊點的總的Von Mises應變等高線圖?？捎^察到距芯片最近的焊點的SAC焊料和SnPb焊料的最大的總應變。正如所預料的那樣，SnPb焊點承受的變形要比SAC焊點大得多，如圖13所示。應注意最大的蠕變應變是在焊點的左上角。在整個熱循環過程中都會出現這種現象。在這個位置上，將十分之一的主要焊點面積（主要區域）選用于能量密度，以便評估損壞。SnPb焊料承受的循停滯在高溫下時SA

27、C焊料SAC焊料高得多。圖14所示是根據 SAC和SnPb焊料的關鍵區域的對等應力和應變的滯后回路。可明顯看到的是環應變范圍要比 SAC焊料大得多，由于無鉛焊料具有較好的抗蠕變特性。就應力而言，在承受的應力要比 SnPb焊料高得多。而SnPb焊料停滯在低溫下時承受的應力要比upload=jpgUploadFile/2005-10/2005102294328433.jpg/upload結論組裝操作展示了無鉛和混合系統組裝的制造能力。從純制造的觀點來看，用無鉛、SnPb和混合焊料系統組裝的板子之間的唯一差別是再流溫度必須與焊膏合金匹配。熱循環結果與以往發表的許多文獻中的內容一致，在這些文獻中，無鉛

28、和混合系統的可靠性至少可與SnPb系統的可靠性蓖美。在這些文獻中論述的唯一差別是PBGA352和fleXBGA144 SnPb焊膏混合系統成分的可靠性是最佳的。在PBGA352封裝上實施了二唯非線性有限元分析。SnAgCu焊料的粘塑性可與共晶SnPb焊料的粘塑性進行了比較。結果說明SnPb焊料承受的周期無彈性應變范圍要比SnAgCu焊料的大得多，由于無鉛焊料具有較好的抗蠕變特性。SnPb焊料每個周期累積的蠕變能量密度（DWcr）也比SnAgCu焊料累積的蠕變能量密度大得多。還發現塑性損壞的影響應包括在評估無鉛焊料的熱疲勞壽命中。在撰寫這篇文章時，測試媒介物已進行了約2100周期的運行操作。當前

29、的目標是繼續測試，至少直到凈故障不會達到50%，在這個基礎上，才能實施時間故障分析。致謝作者在此向國家制造科學中心（NCMS為測試提供的PWB表示感謝，并向Keith Kirchner,William Beair, ButchBoss和Vinh Tieu為開發無鉛組裝工藝和可靠性測試所做的工作表示感謝。此項研究工作是由馬里蘭大學， CollegePark的CALCE電子產品和系統聯合會成員主持的。參考文獻1、Bath,Jasbir,A Mnufacturable Lead-free Surface-Mount Process?Circuits Assembly,V14,n 1,January2

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