發布日期：2022-07-14 點擊率：38
作者:John J. Davignon
Randy Reed
評測各種無鉛焊料合金在組裝與封裝中的應用,是目前人們所最關心的問題。與現行的Sn/Pb焊料回流焊溫度相比,許多新型合金具有較高的熔點,從而回流焊溫度也要求較高。考慮到NEMI高熔點合金對熱回流焊的要求,本文討論幾種環氧基多層板材的PTH性能和多層板材料特性的變化。
盡管試驗用環氧基多層板在高溫下會發生變色現象,但其玻璃材料跳變溫度(Tg)與Z方向的熱膨脹系數(CTE)沒有受到太大的影響。在三種板材中,二種板材達到多層剝離的時間縮短了,但并沒有達到很嚴重的程度。標準的FR-4環氧板材和Tg值高的環氧板材的PTH特性明顯變差,但是PPO/環氧混合板材的PTH特性卻沒有明顯變化。
無鉛焊接合金材料的發展,促使許多OEM制造商和國際財團對無鉛焊接合金材料的反作用進行評估。評估包括兩個項目,即滿足最佳焊點連接可靠性要求的合金成分評估項目和最佳表面光潔度冶煉評估項目。對于此類的高溫回流焊,現有的FR-4環氧板材的相應數據有限。作者所關注的是,高溫回流焊工藝可能會降低環氧板材的性能。
按照/合金的要求,采用一個方法對三種環氧板材在高溫回流焊中的特性進行評測。/合金是National Electronics Manufacturing Initiative推薦使用的材料,故以下稱“NEMI合金”。NEMI合金獲得了許多大型OEM集團的支持,它也是向完全無鉛化產品過渡的主要材料。該合金允許來自封裝元器件引線的少量鉛進入焊點,但不破壞三相合金的低熔點。在其它合金的選擇中,對溫度的要求略低(低熔點)。
測評開始前,要選擇金屬化孔(PTH)的特性和材料特性。
試驗
本項目的試驗采用英寸厚、18層的多層板,其上有一些IST試驗模塊,安裝在20×20 點、間隔為英寸的BGA陣列上,焊盤孔徑為英寸的孔(400個)。外表面為裸銅拋光。IST被測件以英寸的邊長、3×6多件包裝(multipak)的形式交付組裝。測試時,被測件應便于取下測試。
PCB疊層結構為:第1層為信號層預處理；第2層為信號內核分層；第3層為接地層預處理；第4層為信號內核分層；第5層為接地層預處理；第6層為信號內核分層；第7層為接地層預處理；第8層為接地內核分層；第9層為信號中點對稱層。
本項目選用了三種多層板材進行評測:1. 標準的FR-4環氧多層板,Tg為140℃(DSC)；2. Tg值較高的環氧多層板,Tg為170℃(DSC)；3. 性能很好的環氧/PPO混合多層板,Tg為180℃(DSC)。
測試基準組(以B表示)是在沒有經過加熱或模擬回流焊循環的情況下獲得的,并將作為制造基準。無論是普通的Sn/Pb焊料還是NEMI焊料,雖然所有的板材都要經受一定程度的組裝回流焊,本文將主要探討整個回流焊溫度特性對Merix提供的不規則板材的影響進行評測。
標準回流焊組(以SR表示),通過使用熱風回流焊爐進行5次仿真63Sn/37Pb標準的回流焊循環而獲得。回流焊溫度曲線如圖1所示,從圖中可以看出,電路板處于183℃(Sn/Pb焊料的溶點)以上的時間為55秒,峰值溫度為215℃。
NEMI回流焊組(以NR表示),通過使用熱風回流焊爐進行5次仿真回流焊,結果可以改進適用于新型NEMI/合金的溫度曲線。如圖2所示為回流焊溫度曲線,從圖2可以看出,電路板處于217℃(/焊料的溶點)以上的時間為69秒,峰值溫度為259℃。
SR和NR在回流焊之前沒有經過預熱處理。但是,要選擇5個回流焊循環,目的是為大多數OEM廠家所要求的加熱曲線建立模型并最大限度地試驗多層板的應力。在回流焊循環過程中,并不向焊盤孔中加焊料,以確保性能試驗時獲得準確的失效周期(cycle-to-failure)數據。
回流焊循環完成后,將板子置于IST測試儀上進行循環測試,直至測試出10%的電阻變化。失效的多層板將用做斷面顯微分析以找出失效的原因。多層板還要用PerkinsElmer DMA和TMA模式做熱性能變化的評測,即CTE、Tg以及多層板剝離時間分析(T-260和T-288分析)。
互連應力測試(IST)方法
IST方法的原理是向被測件直接施加電流,從而對被測件內部進行加熱。電流作用在加熱回路,加熱回路在第2層和第3層及第n-1層和第n-2層之間呈菊花狀分布。通電3分鐘,將被測件從室溫加熱至150℃,然后切斷電源,用風扇強制冷卻2分鐘,將被測件冷卻到室溫。這種熱循環會引起PTH孔壁以及多層板內層互聯之間的循環應變,從而加速了原始失效或潛在缺陷的顯現。以多層板開始失效開始計算,此時所能達到的熱循環次數作為PTH性能的評測指標。
IST方法所采用的被測件要具備二條相互獨立的回路。加熱回路通過電阻發熱的方式對被測件進行加熱(如上所述),并監測層間互連的完整性(在多層板剝離或受到破壞后)和內層的開裂情況。感應回路與加熱回路同時啟動,用于監視被測件的溫度(采用電阻測量)和PTH孔壁的完整性(孔壁崩塌)。IST軟件通過一定的算法計算被測件上電阻的溫度,精度為±5℃。
IST被測件的制作和測試在Merix分析試驗室進行。電阻的預選確保被測件具備可測試性,電阻選擇時,要確保在多包組件內部以及多件包裝組件之間的電阻阻值偏差最小。
試驗結果
表面顏色變化:采用NEMI加熱曲線最明顯的結果是多層板顏色的改變。比較基準、標準回流焊和NEMI回流焊三種情況下多層板的照片,可以發現,NEMI被測件的顏色較深,說明在高溫下部分環氧樹脂被氧化了,而這種氧化現象在標準的Sn/Pb回流焊中沒有出現。所有的多層板都出現了這種變色。
評估之前,人們認為變色與IST測試結果及板材的熱特性有關。試驗證明,這個設想是錯誤的。
熱特性的變化:Tg和CTE的變化是聚合物結構變化的最直接的表現。
1． Tg:FR-4和PPO/環氧多層板的Tg幾乎不受較高回流焊溫度的影響。只有高Tg值多層板的Tg發生了本質的變化。
2．CTE:觀察Tg溫度下Z方向CTE的試驗結果,可以看出較高回流焊溫度對CTE的變化幾乎沒有影響。Z方向CTE的變化是造成PTH失效的重要因素之一。加在PTH上的應力與周圍多層板的膨脹有著直接的關系。因CTE變化所產生的應力會使孔壁處產生應變,從而引起熱循環疲勞,并造成徹底失效。
3．多層板剝離時間:T-260試驗是將被測件以10℃/分鐘的速率從20℃加熱至260℃,并保持260℃的溫度直至發生明顯失效。260℃多層剝離時間是絕緣粘合層吸收應力的能力表征。T-260試驗結果表明較高的回流焊溫度對粘合強度有一定的影響。盡管多層剝離時間的縮短并不能意味著這種多層板不能用,但它確實說明多層板的機械強度也隨之降低。造成T-260失效的因素很多,但聚合物脆化和氧化層的破壞是兩個主要原因。雖然PPO/環氧多層板的T-260值下降最大,多年的工業試驗已經證明,只要該值大于5分鐘,這種板材就可以接受。
T-288試驗采用的溫度是288℃,288℃不是一個標準測試溫度,因此該溫度的多層剝離時間主要用于評估較高測試溫度下層間粘合線的應變能力。客戶對采用較高溫度進行試驗很感興趣,其特別原因在于最新的組裝回流焊溫度已接近標準的T-260溫度。高溫試驗的問題是環氧多層板的炭化。T-288試驗在高Tg值被測件燒焦后便停止了。
與T-260試驗結果相比,在高溫288℃下,所有三組PPO/環氧混合多層板的多層剝離時間都下降了(很快嗎？)
試驗項目的第一部分,是材料的熱性能評估。NEMI回流焊除了造成高Tg值多層板的Tg值降低外,并沒有引起板材性能的顯著變化。試驗的第二部分,是IST方法評測, NEMI回流焊造成兩種板材的性能下降。
4．PTH性能:IST試驗設備能夠測試出被測件中兩條獨立回路的電阻值。在加熱和冷卻時,電阻值每2秒被讀取一次。電阻值可作為失效原因的評測依據。對于原始失效和潛在缺陷尚無證據。最初50個循環中的失效可以看作潛在缺陷。最終所能達到的循環次數是衡量PTH性能的依據。為明確判定回流焊循環次數和多層板失效之間的關系,試驗結果要與工業基準相比較。FR-4的基準,是在IST設備上試驗1500塊用FR-4板材制作的被測件(105萬個PTH),板厚英寸,孔徑英寸,孔間距英寸。注意:本測評中采用英寸厚、英寸直徑和英寸間距的試驗工具。在IST研究之前的數據表明,若采用板厚而孔小的方式,所有的性能參數都會下降。由于沒有適用于標準Sn/Pb回流焊的FR-4工業基準和相應的多層板,因而本試驗所采用的工業基準沒有組裝條件限定。對于PPO/環氧多層板和高Tg值FR-4板,同樣也沒有工業基準,為獲得可比性,只能將這些材料與FR-4板材工業基準相比。
基準FR-4板材的性能比沒有組裝條件限定的FR-4板材工業基準高10%。與基準FR-4板材相比,標準回流焊 (5次183℃以上熱循環)將FR-4板材的性能減少了10%,NEMI回流焊(5次217℃以上熱循環)使FR-4板材的性能下降了36%。所有失效都是由孔壁開裂造成的,沒有出現互連失效(多層板剝離和/或層開裂)。
為解決性能下降的問題,最普遍的想法是采用高Tg值的多層板。但是,下圖表明,對于NEMI回流焊熱循環來說,采用高Tg值的多層板是錯誤的。
高Tg值板材比無組裝條件限定的FR-4基準板材的性能要強240%,這是因為Tg比IST試驗溫度(150℃)要高。試驗溫度沒有提高,因而顯示出高Tg板材的優點。標準回流焊(183℃以上5 次循環)的性能與基準板材的性能相同,這說明,標準回流焊循環對PTH的性能幾乎沒有影響。與高Tg值板材基準相比,NEMI回流焊(217℃以上5 次循環)使性能明顯下降(下降了80%)。令人感興趣的是,在NEMI回流焊后高Tg值FR-4多層板和FR-4多層板的性能是一樣的。所有的失效都是孔壁開裂造成的,沒有證據表明出現了互連失效(多層板剝離和/或層開裂)。
PPO/環氧混合板材的性能比無組裝條件限定的FR-4工業基準板材高50%,與基準PPO/環氧板材相比,標準回流焊使PPO/環氧混合板材的性能下降26%,NEMI回流焊使PPO/環氧混合板材的性能下降33%。對于兩種回流焊工藝,PPO/環氧混合板材性能的下降基本相同。所有的失效都是由孔壁造成的,沒有證據表明出現了互連失效(多層板剝離或層開裂)。
F(方差)試驗和t(均值)統計試驗的目的是找出被測件的統計偏差,統計證實:NEMI回流焊循環明顯地降低了FR-4板材和高Tg環氧多層板的性能(不是均勻下降)。NEMI回流焊對PPO/環氧多層板則幾乎沒有影響。
金屬分析證明了IST試驗的結果,即所有被測件的失效都是由接近板中央的孔壁開裂造成的。圖3是被測件中觀察到的典型孔壁開裂現象。正是所預料的那樣,可靠的產品都是由于疲勞才失效的。電阻值和顯微截面顯示,失效(多層剝離和/或層開裂)不是由層間互聯引起的。
結論
高溫NEMI熱風回流焊會導致所有三種測試板材發生變色。氮氣清洗對減輕變色的作用還不清楚。變色并不是性能降低的唯一表征。采用標準回流焊則幾乎不變色,然而標準回流焊會引起FR-4多層板的PTH性能降低,PPO/環氧板材性能的降低更甚(Merix已在其他IST研究時發現了這種性能降低的現象)。
NEMI合金回流焊的溫度除了造成高Tg值多層板的Tg有所下降外,對Tg(TMA)和Z向CTE(TMA)值沒有影響。業界常用的笨辦法是將溫度變化5℃來讓Tg值發生真正的漂移。T-260試驗結果表明PPO/環氧板材的性能有一定的下降,而FR-4板材的性能變化很小。業界通常把加熱超過5分鐘性能不發生變化的板材認為是可以接受的。有兩種純環氧板材不能承受溫度更高的T-288試驗,它們在加熱過程中會燒焦。
經驗證,IST方法是鑒別NEMI回流焊對板材性能影響的最佳方法。IST方法是根據性能數據進行評測,而不是憑表面現象。即使PPO/環氧板與其它兩種環氧多層板一樣會發生變色,而兩者經過NEMI回流焊的性能與經過標準Sn/Pb回流焊的性能沒有統計值上的不同。經統計,FR-4環氧板材和高Tg值多層板材經過NEMI回流焊后,其性能明顯降低。
建議:
1. 由于此次評測顯示熱特性不能表征回流焊后的性能,因此建議在所有的無鉛評測項目中采用熱循環試驗。
2. 由于NEMI回流焊后多層板會發生變色,因此建議板的層壓特別是阻焊膜的層壓應納入無鉛評測項目中。
3. 由于產品壽命的縮短,建議業界應對可接收的后端組裝熱循環PTH的性能等級進行評測。
