无铅产品可靠性测试

ReliabilityTesttoLeadFreeProduct无铅产品可靠性测试SGS通标标准技术服务公司[e-mail]2目录„元器件可靠性测试为什么要测试质量及可靠性测试项目相关项目测试方法及标准„整机可靠性测试为什么要测试失效机理及相应的测试项目相关项目测试方法及标准„失效分析主要测试方法3元器件可靠性--Whytotest?„元器件无铅化，将要求进行：•元器件端子镀层为无铅•元器件封装耐高温•RoHS禁用物质的替代•…………………..„元器件无铅化，将要求满足：•RoHS指令的化学物质符合性•焊接加工能力•批量稳定性•长期的可靠性„元器件无铅化，常见问题：•可焊性•耐热性•锡须•……………..4元器件质量和可靠性测试项目„镀层检测QualificationtoCoating„可焊性Solderability„耐热性HeatResistance„耐潮性MoistureSensitive„耐蚀性Dissolutions„共面性Coplanarity„抗锡须Anti-Whisker„其它Others5镀层检测:无铅镀层„成分„外观„厚度„结合力„空隙率„可焊性„接触电阻=3um=5.1um6典型无铅元器件封装种类的电极材料锡/镍层上镀锡/锡铋CHIP类(如电容、电阻等)Sn(3-4)wt%Ag(0.5-0.8)wt%Cu锡球类元器件(如PBGA等)镍钯金/锡/在镍或银层上镀锡表面贴装有引脚器件(如PQFP等)锡/锡银铜插装类器件（如PGA和连接器等）电极材料封装类型7镀层检测:成分检测„基本要求•RoHS限制物质含量不超标„特殊要求•RoHS限制物质含量不超标•各种合金成分定量分析„主要方法•X射线荧光检测XRF•化学溶解分析法WetMethod8镀层检测:外观检测„参考方法•GB5926-86„检测方法•光学放大镜3～5X„考察项目•精饰度（如粗糙度、光亮度）•缺陷（如针孔、麻点、毛刺、斑点、起泡、裂纹、伤痕、雾状、阴阳面、无镀层区域等）9镀层检测:厚度检测„测试目的•复合镀层如Ni/Au、Ni/Pd，表面镀层的厚度一般难以达到要求。•表面镀层的厚度影响可焊性防护效果。„参考方法•ASTM-B568-91X射线光谱测量法，昀大测量厚度15um。•GB5929-86金相显微法。•ISO3868-76干涉显微镜法。10镀层检测:其他项目„结合力•GB5270-85•GB5933-86•SJ20130-92•摩擦法、划格线法、弯曲法、拉伸法、热震法、等。„空隙率•GB5935-86腐蚀法，国内常用。•GB12305.3-90电图象法。•浸渍法、涂膏法等。„可焊性•IPC-TM-650•J-STD-X•IEC60068„接触电阻•电桥法•伏安法11可焊性:润湿模型„热力学⊿F＝⊿U－T⊿S„液态金属在固体表面的铺展„液态金属对固体表面的浸润„液－固相之间金属的扩散„Young公式FSV=FSL+FLVcosθ„Fick定律m＝（-SDdc/dx）dt„Arrhenious公式D＝Aexp（Ea/KT）12可焊性:环境影响„左为美国大气环境„镀层在环境中氧化„镀层在环境中硫化„元器件镀层表面污染将影响可焊性，生产缺陷增多，焊点长期运行可靠性将下降13可焊性:无铅润湿„LeadFree镀层相对SnPb镀层润湿能力弱„LeadFree焊料相对SnPb润湿能力弱„LeadFree镀层工艺目前还待改进完善※无铅元器件的可焊性问题应当重视！14可焊性:测试原理15可焊性:测试步骤测试参考方法：IPC-TM-6502.4.14.2J-STD-002J-STD-003IEC60068-2-54SS00254-2/3„蒸汽老化(100°C,100%RH,8小时相当于高温高湿条件下储存6个月)„硫化老化(H2S+NO2,30°C,70%RH)16可焊性:测试步骤„润湿力测试17可焊性:测试步骤„数据分析18耐热性:工艺变化„无铅焊接工艺温度高，峰值温度达260℃。„常见封装耐热能力为240℃,FR4级别的PCB玻璃化温度约140℃。„易发生分层、变形及爆米花效应。19耐热性:测试要求„SMT类元器件需满足260C，10s，三次回流的要求；„THT类元器件需满足260C，10s，三次焊接的要求。„相关要求：MIL-STD-202G，methodK；IEC-60068-5820SolderHeatResistance-Refolw耐热性-测试方法-回焊炉21SolderHeatResistance-DipSoldering耐热性-测试方法-锡炉法22耐潮性:潮湿机理23耐潮性:失效案例1、器件为144引脚QFP2、经受热条件260℃@level2a3、从引线框架处产生裂纹1、器件为2层PBGA2、经受热条件260℃@level2a3、从chip处产生裂纹24耐潮性:潮敏级别J-STD-020潮湿敏感级别25耐潮性:测试曲线26耐潮性:无铅要求J-STD-020要求J-STD-020forleadfree27耐蚀性:主要问题„元器件端子如采用易溶解金属如Ag，用非银焊料，则易发生溶蚀„金属化端子溶蚀，将影响焊点连接和电信号的传输，甚至无法形成电气连接。„无铅焊接多用SnAgCu，端子银镀层的溶解现象将有所缓解。28耐蚀性:测试方法„无铅贴片元件常见测试条件„温度260℃„深度2.0～2.5mm„时间30s„要求20X放大镜观察无溶蚀◆测试参考方法IEC60068-2-5829共面性:无铅特性„无铅焊接温度高，大型元器件如BGA、贴装连接器等易变形„共面性差，易发生焊点开路和强度不足„冷却过程中，变形恢复易产生较大残余应力„大型元器件的初始共面性和高温共面性很重要30共面性:无铅要求31抗锡须:无铅特性„体心立方晶格的金属，如Cd、Sn等容易产生锡须。„无铅元器件和PCB的镀层以matteSn为主流。„无铅焊接的工艺温度高，冷却速率快，焊点内应力更高。„无铅组装的电路板，锡须的可能性要高。32抗锡须:锡须特征„是一种单晶柱状物。„直径1um至5um。„随环境和时间会生长。„可以弯曲、缠绕。„有柱状、线状、疹状、花状、火山状等多种形态。33抗锡须:典型锡须34抗锡须:锡须机理„Sn层存在压缩压力。„在内压缩应力作用下，Sn将自发进行重结晶，以减小系统内能。„Sn表面氧化不均匀，存在某些“相对张力”区。„Sn原子沿晶粒边界向张力区方向不断扩散，进行再结晶。„只要存在压缩应力，再结晶过程就持续发生，锡须不断生长35抗锡须:锡须危害„brightSn镀层昀长锡须记录4000um，matteSn镀层昀长锡须记录800um。„危害电子元器件的昀小电气间距，严重的引起短路，影响设备的可靠性。„增加表面积，容易吸附潮气、灰尘等污染物，加快焊点的腐蚀，影响焊点的长期可靠性。36抗锡须:控制措施„使用大晶粒尺寸的matteSn作为镀层。„镀层厚度控制在8um到10um。„Ni作为电镀底层。„尽可能选用SnAgCu、SnBi等多元合金作为镀层，减缓Sn原子的扩散迁移速率。„镀层在150℃到170℃老化，尽快形成Cu6Sn5成分的IMC，有利于减小Cu原子扩散的时效应力。„采用敷形涂覆，可有效减缓锡须的生长。37抗锡须:测试条件38抗锡须:锡须测量39目录„元器件可靠性测试为什么要测试质量及可靠性测试项目相关项目测试方法及标准„整机可靠性测试为什么要测试失效机理及相应的测试项目相关项目测试方法及标准„失效分析主要测试方法40Whytotest?„企业质量保证体系的要求•产品设计出现变更，需要验证新设计的质量•产品材料出现变更，需要验证新材料的质量•产品工艺出现变更，需要验证新工艺的质量•产品任何有计划的、有目的的变更，均应评估和控制„无铅产品的变化•焊接材料无铅化•元器件无铅化•焊接工艺„无铅产品的风险•元器件可能的热损伤•焊点可能的不良•锡须•其他41FailureMechanismofPCBA:thermalcycling电路板的失效机理之一：热循环„热循环的累积疲劳损伤ThermalCyclingDamageMechanisms42Explainofcumulatedfatigue累积疲劳损伤的说明－热循环„实际焊点既不是理想的弹性(elastic)也不是塑性(plastic)，其屈服强度(yield-strength)依赖于温度的高低、载荷的大小、焊点的成分和晶格结构(grainstructure)等因素。„热循环的损伤为材料蠕变(creep)和应力释放(stressrelaxation)强化的累积疲劳(cumulatedfatiguedamage)。„停留时间(dwelltime)并不能消除疲劳造成的损伤，较高的温度可以促进应力的释放，但也能促进焊点内部有害相(detrimentalmetallographicgrain)的增长。„在热循环过程中，焊点表面变的粗糙(rough)且内部容易产生气穴(cave)等潜在缺陷(potentialdefect)，容易导致开裂(crack)。43FailureMechanismofPCBA:thermalshock电路板的失效机理之二：热冲击„热冲击的张力损伤ThermalShockDamageMechanism44Explainoftensileandshear张力和剪切的说明－热冲击„温度变化速率(rateoftemperaturechanges)一般超过30℃/min。„热冲击时张力(tensile)相比热失配(expansionmismatch)处于支配地位，焊点受张力(tensile)和剪切力(shearstress)的影响。„热冲击应力呈空间多维(multiaxialinspace)，热循环主要是剪切和应力释放(stressrelaxation)造成的累积疲劳损伤(accumulatedfatiguedamage)。„电路板焊接或维修(solderingorrepair)、电源的开关(turnthepowersupplieronoroff)、环境的剧烈转换等极端条件将产生热冲击。45FailureMechanismofPCBA:vibration电路板的失效机理之三：振动高周波的振动损伤机理highcyclevibrationdamagemechanism„机械振动(mechanicalvibration)具有较小的振幅(amplitude)和较小应力的特点„如振动频率(frequency)和电路板自振频率(resonantfrequency)相近，将发生共振(sympatheticvibration)现象，这时电路板所受的应力将很大„焊点(solderjoint)在30Hz以上振动条件下呈弹性状态(elasticstate)„焊点的弹性模量(elasticmodulus)随振动频率升高而增大„较小的振动应力在焊点局部发生应力集中()时，焊点发生局部塑性变形，晶格内部将发生滑移(slip)，内部产生微裂纹„裂纹将穿过晶粒内部进行扩展，而不是沿晶界扩展„振动昀终将使焊点形成高周疲劳（104），在断面处可观察到晶面滑移的痕迹。46FailureMechanismofPCBA:Creep电路板的失效机理之四：蠕变焊点的蠕变开裂CreepRuptureofSolderJoints„电路板有时会发生弯曲(warpage)„弯曲导致在焊点处产生固定的应力(fixedload)„焊点通过变形来释放应力，但弯曲应力是以固定值施加在焊点上„焊点的变形，由弹性变形到塑性变形，昀终破裂47ReliabilityTesttoLead-freeProduct无铅产品可靠性测试针对以上的主要失效机理，对于无铅工艺组装的电路板，至少应进行以下5项测试，以检测焊点的质量。„热循环thermalcycling„热冲击thermalshock„振动vibration„焊点强度pull&shear„切片分析microsection48Howtodo?–thermalcycling如何测试？－热循环„根据IPC－97