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低温SMT焊料评估
录入时间:2019/12/31 11:31:43

作者:Howard “Rusty” OsgoodDavid GeigerRobert Penningschristian BiedermanJie JiangJon BernalFLEX公司

摘要

电子行业可以从使用可靠的、可制造的、降低熔融温度的SMT焊膏材料(合金成分)中获得巨大利益,同传统的Sn3Ag0.5Cu(SAC305)焊膏材料相比,这类低熔融温度材料在成本上很有竞争力。本文讨论的是这些材料可能具备的许多优点和一些缺点或挑战。

直到不久前,人们还在调查研究锡/铋(Sn/ bi)基材料在高应变速率(跌落撞击)应用中的负面影响;因此选择不使用这些合金。合金“掺杂”方面的最新进展为重新审视Sn/Bi合金,这是许多应用中SAC-305的可能替代品。

我们测试了三种低温焊膏材料和一种(作为参照的)SAC-305焊膏材料的可制造性和可靠性。其中两种低温材料掺杂锡/铋/银(Sn/Bi/Ag),另一种低温材料只有锡/铋/银1%(Sn/Bi/Ag1%)。

我们将讨论测试和相关的结果。最后,我们将讨论这些材料的前景、应用和(根据这项评估得到的)可能的影响以及未来的行动。

引言

典型的SAC305回流温度曲线的峰值温度范围在235-245℃之间。锡/铋或锡/铋/银焊料合金使用的峰值温度范围可以在165-195℃之间。这表示回流温度曲线的峰值温度可以降低超过50°C。除了能够大幅度降低能源成本,使用低温焊膏(LTS)材料还有许多其他的好处,本文会在下面讨论。我们还会讨论一些已知的风险和未知的风险。

在组装行业,锡/铋合金和锡/铋/银合金广为人知,经常用在不太可能遭到撞击、跌落、振动或高温的消费产品中,例如电视机和某些电器中。这些合金比SAC-305更脆,具有更好的抗蠕变性。这使他们非常适合低应变速率(温度变化)应用,但不适合高应变速率(撞击、跌落、振动、弯曲等)应用。

一些焊膏供应商多年来一直致力于开发一种在更高应变速率可靠性方面可以与SAC-305相媲美的(低温)合金。

从历史的角度上看,他们已经接近成功,但直到最近,他们才使用这种“神秘”的配方实现目标,配方中包含微量的“掺杂剂”材料,使低温合金的延展性和抗裂性更强。其他的论文[1&2]讨论了通过添加微量元素,例如铜、镍、锰、锑等掺杂剂,对晶格和晶粒结构的影响。我们不在此做深入的讨论,本文的重点是,有些供应商似乎找到合适的配方,能维持大量的合金(和因此保持低熔点),又能以充分有效的方式改变它的性能。

我们考虑的另一个关键因素是,在我们做任何审慎的评估之前,需要保证这些材料类型的供应商不能只有一家。我们要尽量避免采用有专利的工艺或材料,因为这些工艺或材料只能从单一来源获得。

优点

低温焊膏(LTS)可能的优势包括:

l 减少电路板和元件翘曲

l 减少枕头效应

l 降低残留的应力

l 减少焊盘坑裂

l 减少由热膨胀系数(CTE)引起的几何效应(比例系数)

n 电路板上的焊盘/元件的尺寸比较小

l 更便宜的材料

n PCB

n 元件

l 热暴露更少

n 热敏元件

n 半导体器件

l 降低能源成本和维护成本

n 根据温度曲线,估计可以降低20-25%的能源成本

n 降低回流炉移动部件的维护成本

l 可以进行混合组装

n 电路板一侧使用SAC-305,另一侧使用低温焊膏

l 减少空洞的形成

n 观察到空洞减少大约50%

缺点

和任何新材料一样,材料在使用一段时间后,未知风险才会暴露出来。部分已知风险包括:

•        封装翘曲——热撕裂

–       以前的大型BGA封装设计是封装在210°C以上变平,因为封装从来就没有完全变平,并且在整个回流周期中都保持翘曲,所以这种设计可能会导致焊点的“热撕裂”。针对这种情况的一种补救措施是使用更多的焊膏来弥补翘曲造成的缝隙宽度的差别。较低温度的合金不太容易浸润(稍后将详细讨论),因此可以允许在每一个印刷单元面积上涂布更多的焊膏,而不会出现桥接。如果组装行业开始大范围地接受这些合金,封装供应商很可能也会做出相应的调整,并可能会提供这些封装的“LTS”版本。

•        返工

–       焊丝:可用的焊丝非常有限(只有一个已知的来源而且还未上市),而且这种材料非常易碎

–       焊料罐开裂:铋在冷却时膨胀,会导致某些焊料罐(波峰焊的焊料罐)开裂

•        液相线/固相线的范围广

–       根据我们的观察,使用低温焊料时,冷却必须非常快,才能保证组件在138°C以下温度离开回流焊炉的传送带

•        助焊剂残渣

–       根据我们的观察,留在回流后电路板上的助焊剂残渣相当多。这些焊膏将来可能会改善这种情况

•        坍塌更多和润湿较少

–       根据我们的测试结果,与对比材料相比,低温材料的坍塌(热坍塌和冷坍塌)要多一些,不过,这更有可能与焊膏的成熟度有关。不过,低温合金本身的润湿性能没有像SAC-305那么强,这在某些情况下可能是个问题,尽管我们仍然认为这是可以接受的。在一些情况下,润湿比较差可能也是个优势,例如焊膏不会粘在模板的孔上。

实验与结果

测试的材料

图1是测试用的四种材料。材料A是对照材料。材料B和D是“掺杂”合金的材料,材料C没有添加掺杂剂。

组装条件

所有测试电路板在进行焊膏丝网印刷前都要经过烘烤、检查和打标记。在进行SMT组装工艺和回流工艺时进行焊膏检查(SPI)。

LTS的回流温度曲线

虽然可以使用低至165°C的峰值温度(而且应当在适当的时候使用),但是使用190°C这样较高的峰值温度可以促进焊膏与BGA上的SAC305焊球混合(图2)。焊膏与BGA焊球界面在这些温度下将发生足够的相变来促进扩散,使BGA焊球和焊膏混合。

如图3所示,BGA焊球和SnBi焊膏的混合比例约为50%。这和起始时间的混合比例相当,也是我们观察到的所有焊点的特点,它们的混合比例在40-60%之间。

测试方法

进行两种类型的测试:可制造性测试和可靠性测试。

可制造性测试:

l 焊膏体积

l 漏印

l 热坍塌,冷坍塌

l 焊球和两次润湿测试

l X光检查和目视检查

可靠性测试:

l 加速温度循环(0-100°C)—JEDEC 9701

l 四点单调无变化弯曲试验—JEDEC 9702

可制造性:焊膏体积

我们测量和分析了从0.4到0.11六种不同面积比的焊膏印刷体积。使用的厚度为5密尔(0.13毫米)的模板,孔径范围从8到22密尔(0.20到0.56毫米)。

从图4可以看到,材料D的印刷体积(尽管足够大),始终会稍微小一些。所有的材料均通过企业的内部规范。

从图5可以看到,材料D的印刷体积(尽管足够大),始终会稍微小一些。所有的材料都通过我们的内部规范。

从图6可以看到,材料D的印刷体积(尽管足够大),始终会稍微小一些。所有的材料都通过我们的内部规范。

从图7可以看到,材料D的印刷体积(尽管足够大),始终会稍微小一些。所有的材料都通过我们的内部规范。

从图8可以看到,材料D的印刷体积(尽管足够大),始终会稍微小一些。所有的材料都通过我们的内部规范。

从图9可以看到,材料D的印刷体积(尽管足够大),始终会稍微小一些。所有的材料都通过我们的内部规范。

可制造性测试:漏印

在这项测试中,在测试电路板上的三个位置印刷直径6到16密尔(0.15到0.40毫米)的圆形孔,检查印刷位置是否存在漏印(图10)。计算每一种孔的漏印数。我们并不期望6密尔(0.15毫米)的孔能够印刷焊膏。8密尔(0.20毫米)到16密尔(0.40 mm)的孔在印刷时所有的材料都能通过测试(图11)。

可制造性:润湿测试1

在这项测试中,我们在尺寸超大的铜焊盘上印刷圆形的焊膏,测量它在回流后的直径(图12和图13)。这项测试在直径方面没有具体的成功、失败标准。它和润湿测试2一样,只是用来测定材料的润湿性能。低温焊料的润湿与参照材料不同。这在孔内印刷焊膏(PIH)应用中可能是个优势。

 

可制造性:润湿测试2

在这项测试中,我们把焊膏涂布到矩形焊盘上,矩形焊盘的间隔是90–120%焊盘长度的5%。然后,我们寻找完全覆盖焊盘的最小百分比(图14和图15)。

图15的结果正如我们的预期,低温材料和作为参照的Sn3Ag0.5Cu焊膏材料的润湿效果不同。

可制造性测试:冷坍塌

在这项测试中,我们印刷多个行间距从0.075毫米(3密尔)到0.300毫米(12密尔)的焊膏,并计算在各个间距下桥接的行的数量(图16和图17)。焊膏的表现都很相似,但低温材料的坍塌要多一些。整体排名如下:

l 排名1:材料D(平均值120,3块电路板有桥接)

l 排名2:材料A(平均值125,3块电路板有桥接)

l 排名3:材料B(平均值185,3块电路板有桥接)

l 排名4:材料C(平均值196,3块电路板有桥接)

可制造性:BGA孔洞

根据我们的观察,在所有测试的焊膏中,BGA焊球中的空洞率约在1%到10%之间,不同的材料在性能上没有明显的差异。鉴于我们没有把BGA的焊球完全熔融,因此我们不用对原来的(可接受)条件作大的改变(图18)。

可制造性:QFN孔洞

低温焊膏材料在QFN/BTC元件下面的表现令人惊讶。作为参照的SAC305焊膏材料的平均孔洞率是9.9%,焊膏C的平均孔洞率是1.8%,焊膏B的平均孔洞率是5.9%,焊膏D的平均孔洞率是8.4%。具体结果请参见图19至图22。

可靠性:四点单调无变化弯曲测试

我们按照JEDEC 9702推荐的步骤,用每一种类型的焊膏在四块测试电路板上进行四点单调无变化弯曲测试。做这种测试的电路板是四层电路板,我们在每一块电路板上安装了一个35x35菊花链式BGA,电路板的厚度是62密尔(1.6毫米)。以4 mm /秒恒定的靶头驱动应变速率,因此产生的应变响应在5kµå/秒(每秒微应力)到8kµå/秒之间。

有一种材料(材料D)出现几个异常读数,出现这些读数时,菊花链在大块体积材料失效之前出现开路。这可能是在封装周边上有一个薄弱或受损的焊点。这个小的样本集是为了得到早期的一级近似值。

后续的测试目前正在进行中。我们将用三倍的应变速率(15K µå/秒)来测试八块测试电路板。此外,我们还会对所有的材料做跌落测试。焊膏之间的差异要比焊膏内部的差异小,但我们仍然能够对四种焊膏的性能进行排名。掺杂其他金属的材料B的性能要比作为参照的Sn3Ag05Cu焊膏略好一些,其他材料的性能相近或略低于Sn3Ag05Cu焊膏。材料D的应力范围最大。在应力和连续响应曲线中(图23-26),实线是测量的应力(与实际应力的方向相反,因为传感器放在底部),虚线(用不同的颜色与每块电路板相对应)是菊花链的。当电路发生故障时,虚线(菊花链)会迅速开路。信号的采样速度是每秒500次的速率的四倍(以每秒2000次的速度测量)。

根据图23,在大量材料出现故障之前,测试的四块电路板中有两块出现故障。这种材料的应力响应最大是9311µå 、最小是7313µå。需要做进一步的评估以掌握早期出现的故障。

从图24可以看到,一块电路板(黑色线)在出现大量故障之前,故障稍微提前出现。这些故障可能由焊点引起的。这可能也说明焊料成分中出现微小的变化。需要掌握更多的信息才能确认故障提前出现的原因。

从图25可以看到,所有电路板出现连续性故障和所有测试的电路板出现的大量故障直接相对应。有意思的是,虽然这些电路板的大多数故障出现在电路板的焊盘和电路板界面之间的位置,但这种材料的应力响应在四种材料中不是最强的。

从图26可以看到,样本B的电路板的表现和参照材料相似,但其中的一块电路板(蓝色线)在大量焊料出现故障前就出现非常轻微的开路。

从图27可以看到,材料间的差异要小于材料内部的差异。这说明统计意义上的差异非常小甚至没有差异。有必要更深入地研究材料D的斜率和应力范围,来确定这是典型的情况还是特例。正在进行额外的测试。

根据图28,材料B的表现最好,而材料D的表现最差。

在电路板经过染色、撬开和横切后分析故障模式,故障模式主要有两种。用来作对比的Sn3Ag0.5Cu材料的故障大多发生在电路板焊盘的下面(如图29所示的5类故障模式),而且许多故障是电路板的材料被拉开(类似于焊盘坑裂),而低温材料的故障主要是在电路板一侧上的大量焊点冲破金属间化合物(IMC)界面,如图29中所示的4类故障模式。

有意思的是,历史上最牢固的焊点是电路板和电路板焊盘间的连接。在这项(有限的)测试中,参照材料没有出现最大的应力响应(图30)。这可能是 SAC-305回流温度曲线比较高的工艺温度影响电路板和焊盘之间的应力。

可靠性:加速温度循环测试

我们按照JEDEC 9701推荐的步骤进行加速温度循环测试。我们将多个菊花链和0欧姆的元件安装到一块四层PCB上。这种电路板的厚度是62密尔(1.6毫米),每种焊接材料用18到20块电路板做测试。把这些电路板放在0-100°C的温度进行40分钟的热循环,温度稳定上升10分钟后至100°C,然后驻留10分钟。我们每隔200个热循环周期测量以下四种元件的电气连续性(图31):

l •1196 PBGA,35x35毫米,间距1.0毫米,SAC 305(u309)

l •196 PBGA,15x15毫米,间距1.0毫米,SAC 305(u1)

l •64 CBGA,9x9 毫米,间距0.8毫米,SAC 305(u300)

l •2512薄膜陶瓷零欧姆电阻器(R350)

在撰写本文时,我们的测试已经达到4200个循环,除了2512薄膜陶瓷零欧姆电阻外(这是预料到的),在此期间,其他的所有元件只出现很少的几个故障。使用焊膏D的电路板没有与使用其他焊膏的电路板同时组装,因此,在撰写本文时,它只完成了1000个温度循环,在此期间没有出现任何故障(图32)。

图33正如我们所期望的,在应力速率相对比较小的测试中,低温(含铋)合金略优于对照材料A。

环境影响与节约成本的潜力

当峰值温度的增量大于50度、温度曲线的总体温度比较低时,可以明显地看到回流工艺期间的能耗明显下降(图34)。与SAC305相比,预计这些低温焊料将节省20-25%(在回流时的)能源成本。

还可以预计到使用这些低温焊料每周可以减少1.1吨的二氧化碳排放。这相当于十辆(在美国行驶)燃油汽车年均二氧化碳的排放量。

结论

从低温焊膏合金性能同Sn3Ag0.5Cu焊膏合金的性能的对比研究的初步结果看来,低温合金还是很有前途的。根据到目前为止的有限内部测试数据再加上有限的外部测试数据,都说明这些较新的、掺杂合金的低温焊料的性能和Sn3AgCu(SAC305)一样好或者更好。

目前正在做进一步的测试和评估。我们正在进行跌落、撞击测试和高应力速率的单调无变化弯曲测试,我们在这些测试中希望能看到正在研究的掺杂合金和无掺杂合金的焊料间的差别。

下一步的工作

如果这些材料能够继续通过前面提到的测试,将增加包括表面电阻(SIR)、清洁度在内的合格性测试,以及针对特定应用场景的测试,例如大型BGA组装、高混合组装、通孔焊膏组装和返工等。

最后,为了充分掌握回流的制造工艺窗口,将启动实验设计(DOE)来定义回流峰值温度的范围,以及他们对由多种合金混合而成的混合合金可靠性的影响(即在用这些混合合金焊膏来连接SAC-305或银含量低的SAC125 BGA时的可靠性)。

参考文献

1. S. Sahasrabudhe, S. Mokler, M. Renavikar, S. Sane, K. Byrd, E. Brigham, O. Jin, Pubudu, Goonetilleke, N. Badwe, S. Parupalli, “Low-Temperature Solder: A Breakthrough Technology for Surface-Mounted Devices,” IEEE 68th ElectronicComponents and Technology Conference, 2018.

2. R. Aspandiar, “characterization of Mixed Alloy SACBiSn BGA Solder joints: Part II of Report on iNEMI Project on Process Development of Bi-Sn-Based Low-Temperature Solder Pastes,” Pan Pacific SMTA.

这篇论文最初在IPC APEX EXPO 2019技术大会上发表,并在《2019技术会议议程》中出版。

作者简介:Howard “Rusty” Osgood是Flex公司高级制造工程事业群负责组装和测试技术的经理。David Geiger是Flex公司高级制造工程事业群负责组装和测试技术的高级总监。christian Biederman是Flex公司高级制造工程事业群的工程技术专家。Jon BernalFlex公司高级制造工程事业群的工程技术专家。Robert PenningsJie Jiang目前已离开Flex公司。


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