HDI無鉛數(shù)碼產(chǎn)品長期使用可靠性分析

PCB廠商、PCB設(shè)計(jì)師、PCBA廠商講解HDI無鉛數(shù)碼產(chǎn)品在長期使用中的可靠性分析

無鉛HDI工藝數(shù)字產(chǎn)品在長期使用中的可靠性需要注意很多方面，下面我們將討論幾個(gè)重要的問題：

通用汽車一位資深可靠性專家近日表示，“你知道無鉛帶來的問題嗎？沒有人能回答這么簡單的問題：如果我做的無鉛產(chǎn)品的質(zhì)量和用錫的產(chǎn)品一樣 領(lǐng)導(dǎo)，他們能工作同樣長的時(shí)間嗎？”

問題很簡單，答案也不復(fù)雜。 經(jīng)過多年的研究和試驗(yàn)，研究人員將影響無鉛產(chǎn)品長期可靠性的因素歸納為以下五個(gè)方面。

錫縫

柯肯德爾空洞

無鉛焊料的機(jī)械振動

無鉛焊料的熱循環(huán)

導(dǎo)電陽極絲（CAF）

下面從這五個(gè)方面說起：

錫須

錫晶須是從元件和連接器的錫涂層中生長出來的。 如果這些導(dǎo)電錫須長得太長，它們可能會連接到其他線路并導(dǎo)致電氣短路。 通過在器件引腳上使用 90Sn10Pb 涂層，錫須問題得到了有效消除，但現(xiàn)在這個(gè)問題又出現(xiàn)了。

一些HDI工廠使用純錫鍍層器件大量生產(chǎn)無鉛產(chǎn)品。 使用過程中發(fā)現(xiàn)有錫須，不到2年就會出現(xiàn)故障。 雖然實(shí)際故障率并不清楚，但有證據(jù)表明，錫須故障并不會增加產(chǎn)品的整體返修率。 由于在最近三四年才出現(xiàn)在細(xì)引腳器件上鍍錫，因此錫須對長期可靠性的影響仍有待觀察。

如果您設(shè)計(jì)的不是可能造成人身傷害的產(chǎn)品，您應(yīng)該首先考慮元器件和連接器是否具有以下特性：

引腳間距小于1mm（部分公司采用間距小于0.3mm）

可采用金屬外殼（如通孔晶振或振蕩器）

積壓的連接點(diǎn)（例如帶有彎曲連接器的電路）

焊縫（如電解電容）

一旦確定了關(guān)鍵組件，您應(yīng)該要求組件制造商提供基于 iNEMI 建議或 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) JESD22A121 的認(rèn)證測試。 業(yè)界對故障的定義幾乎是一片空白，所以你可能需要提出自己的標(biāo)準(zhǔn)。 標(biāo)準(zhǔn)可以是絕對值，例如，最大晶須長度不能超過 25、50 或 75 μ m。 也可以是相對值（如最小間距的 1/3 或 1/2）。

柯肯德爾空洞

兩種不同材料之間，因擴(kuò)散速率不同而產(chǎn)生的空洞稱為柯肯德爾空洞，這種空洞的產(chǎn)生機(jī)制在錫鉛焊料和無鉛焊料中均存在。 在最近的實(shí)驗(yàn)中，在 SnPb 焊料中發(fā)現(xiàn)了非常嚴(yán)重的空洞。 然而，在過去30年的表面貼裝技術(shù)使用過程中，還沒有出現(xiàn)過因柯肯德爾空洞而導(dǎo)致產(chǎn)品故障的報(bào)道。

機(jī)械振動

即使您沒有遇到過柯肯德爾腔，您也應(yīng)該做好因機(jī)械振動或跌落導(dǎo)致的產(chǎn)品性能下降的心理準(zhǔn)備。 研究表明，SAC（SnAgCu）焊料合金在承受電路板振動、跌落或彎曲時(shí)的失效載荷小于SnPb合金的一半。 這種性能損失似乎是多種因素的結(jié)合，包括脆弱的金屬間鍵合、較高回流焊接溫度導(dǎo)致的電路板退化，以及由于 SAC 比 SnPb 更硬而導(dǎo)致的更大應(yīng)力傳遞。

這是一個(gè)長期的可靠性問題還是從一開始就是質(zhì)量問題？ 便攜式電子產(chǎn)品制造商的無鉛技術(shù)已經(jīng)實(shí)施了數(shù)年，并沒有因下降而導(dǎo)致返修率提高的報(bào)道。 一些公司關(guān)注如何更好地控制制造環(huán)境，特別是將最大允許張力從1000微筋降低到750或500微筋。

熱循環(huán)

在某些特定情況下，SnPb 材料的熱性能優(yōu)于無鉛材料。 應(yīng)考慮以下情況。

對焊點(diǎn)疲勞高度敏感的元器件（如大片上電阻、陶瓷封裝的BGA、無引線陶瓷基板、未填充的芯片級封裝）。

最高節(jié)點(diǎn)溫度超過80℃，停留時(shí)間超過4小時(shí)（停留時(shí)間隨溫度升高而減少）。

熱循環(huán)每天至少進(jìn)行一次，預(yù)期使用壽命至少為10年（使用壽命隨循環(huán)頻率的增加而降低）。

如果您處于上述這些情況，則需要根據(jù)現(xiàn)有的無鉛焊點(diǎn)可靠性模型進(jìn)行加速壽命測試，以確定風(fēng)險(xiǎn)。

CAF的形成

導(dǎo)電陽極線（CAF）是由銅線沿玻璃纖維或樹脂界面遷移形成的，會在相鄰導(dǎo)體之間產(chǎn)生內(nèi)部電短路，這對于高密度電路板的設(shè)計(jì)來說是一個(gè)嚴(yán)重的問題。 回流溫度越高，越容易出現(xiàn)這個(gè)問題。 一些大型HDI板制造商在使用無鉛回流焊時(shí)不能滿足用戶的CAF要求。

一些材料和加工工藝即使經(jīng)過多次回流焊也可以避免CAF問題。 無論如何，所有這些方法都會增加成本，因?yàn)閷⑹褂脤＠蛩接屑夹g(shù)。 這樣一來，除非客戶特別要求，否則很多HDI板廠商是不會使用能防止CAF的材料的。

Interface Science (Goleta, CA) 通過引入硅烷開發(fā)了一種很有前途的緩解技術(shù)，可以最大限度地提高玻璃纖維密度和硅烷殼的一致性。 如果一致性好，玻璃纖維和樹脂可以結(jié)合得更緊密，可以降低CAF發(fā)生的概率。 PCB廠商、PCB設(shè)計(jì)師、PCBA廠商將講解HDI無鉛數(shù)碼產(chǎn)品在長期使用中的可靠性分析。