核电厂DCS安全级设备中板卡无铅焊接可靠性研究

2019-07-22李建刚李俊卿张瑞锋

仪器仪表用户 2019年8期

李建刚，李俊卿，张瑞锋，王顺

（北京广利核系统工程有限公司，北京 100094）

0 引言

2006年7月1日，出于环境保护的目的，欧盟对RoHS，铅、镉、汞、六价铬、多溴联苯（PBB）、多溴二苯醚（PBDE）6种有害物质明确要求禁止。受到RoHS环保要求影响，目前大量的工业级电子元器件供应商逐渐进行工艺变更以符合RoHS的规定，致使大量元器件焊接端已无铅化，很多有铅元器件已停产或难以采购，导致公司板级自产品钎焊工艺使用有铅焊料焊接无铅元器件。由于两种合金材质的不同，导致其工艺参数的范围不同，如焊料熔化温度的差异、焊接峰值要求的差异以及两种合金表面张力差异等[1]。虽经过摸索和验证，找到兼容混焊工艺的参数，但该参数为了平衡这些差异使得工艺参数控制难度提高，兼容的要求使工艺窗口变窄。因此，使用无铅焊料焊接无铅元器件，提高焊料合金匹配度，拓宽工艺窗口，保证工艺稳定性同样是产品生产制造方面较为重要的需求。

图1 炉温曲线Fig.1 Furnace temperature curve

1 无铅工艺验证方案

1.1 无铅工艺验证范围

根据HAF601[3]、HAF003[2]中对安全级板卡工艺过程控制的要求，基于电子装联行业国际标准IPC-J-STD-001[4]、IPC-A-610[5]及当前安全级自产品有铅焊接工艺评定的实施经验，安全级自产品板卡的焊接过程中涉及回流焊接、选择性波峰焊接、手工焊接，本文针对回流焊接工艺中无铅工艺的质量加以验证。

1.2 无铅工艺验证步骤

依据当前工艺验证经验，有铅焊接工艺和无铅焊接工艺主要的差异为锡膏成份，而装焊过程中主要影响焊接质量的因素为焊接时的回流曲线。

因此，无铅工艺验证过程主要分为：无铅回流曲线设置、工艺质量评价、无铅工艺可靠性验证。

2 无铅工艺验证

2.1 无铅回流曲线设置

本内容主要是导入无铅回流工艺的关键参数温度曲线。在第1次回流工艺参数的设置中，为了尽量降低焊点的空洞率，保温时间统一控制在120s左右（参考锡膏使用说明），主要考察不同的回流时间与峰值温度对焊接质量的影响。实测温度曲线如图1所示。

2.2 工艺质量评价

2.2.1 外观检查

图2 焊点X-ray对比Fig.2 X-ray comparison of solder joints

图3 金相切片（曲线1、曲线2、曲线3 BGA）Fig.3 Gold phase slices (curve 1, Curve 2, Curve 3 BGA)

对曲线1～曲线3制备的PCBA进行外观检查，发现曲线1的样品部分焊点可见锡粉形貌，呈现明显的冷焊现象；曲线3的样品部分焊点的助焊剂残留物呈现发黄的现象，助焊剂残留物发黄可能与焊接过程中热量过大有关，而曲线2的样品外观未见明显异常现象。

2.2.2 X-ray检查

对曲线1～曲线3制备的PCBA进行X-ray检查，发现曲线1的样品BGA焊点呈现“枕头”缺陷如图2所示，曲线2与曲线3的BGA焊点形貌良好，空洞率分别约为2.8%与9.9%，远低于25%。

2.2.3 金相切片

对曲线1～曲线3制备的PCBA进行金相切片分析，分析位置包括BGA焊点以及其他表贴焊点。金相切片结果发现：曲线1的样品BGA焊点高度较大，坍塌不良，部分BGA焊点存在冷焊如图3所示，呈现“枕头”缺陷，曲线2与曲线3的样品BGA焊点坍塌良好，未见明显异常如图3所示。

2.2.4 SEM﹠EDS

对曲线1～曲线3的焊点截面进行SEM﹠EDS分析，主要针对BGA焊点截面进行分析。

曲线1制备的BGA焊点存在明显冷焊现象，锡膏未完全熔融；BGA焊球内部存在较为细腻、弥散的Sn-Ag以及Sn-Ag-Cu合金颗粒；SEM﹠EDS分析结果如图4所示。

曲线2制备的BGA焊点坍塌良好，BGA焊球内部存在较为细腻、弥散的Sn-Ag以及Sn-Ag-Cu合金颗粒。

曲线3制备的BGA焊点坍塌良好，BGA焊球内部存在较为粗大的Sn-Cu-Ni合金组织。

2.2.5 无铅回流工艺质量总结

曲线1制备的板卡存在明显的冷焊现象，BGA焊点存在坍塌不良以及枕头缺陷。

图4 SEM﹠EDS结果（曲线1，BGA焊点）Fig.4 SEM﹠EDS results (curve 1,BGA solder joints)

曲线3制备的板卡焊点的工艺质量未见明显缺陷，然而BGA焊点内部形成了粗大的Sn-Cu-Ni合金组织，部分PCB侧的IMC厚度达到了7.9µm。焊接界面IMC厚度过大、焊点内部存在大块金相组织会降低焊点的机械强度以及耐疲劳性能，表明该曲线的焊接热量过高。

曲线2制备的PCBA焊点的工艺质量未见明显缺陷，BGA焊点坍塌良好，焊点内部形成了较为细腻、弥散的Sn-Ag以及Sn-Ag-Cu合金颗粒，在焊接界面的IMC较为均匀连续。根据图1的回流焊接温度曲线分析，曲线2的焊接热量适中，焊接质量较好。

2.3 无铅工艺可靠性评价

对最优无铅工艺参数制备的板卡开展工艺可靠性鉴定工作，通过对板卡施加一定的环境应力，然后对经受环境应力后的无铅焊点进行评估，研究无铅工艺制备的板卡耐环境应力能力工艺可靠性鉴定。

经过各项试验后，对选定的点进行金相切片分析，发现经过1000次温冲后，大封装尺寸的C5和Y3焊点存在焊料破裂现象，裂纹沿着焊料之间扩展，裂纹的长度约小于裂纹方向焊点连接长度的50%如图5所示。

对可靠性试验后的PCBA焊点进行评价，其它各项均合格。

金相切片分析，发现1000次温冲后大封装尺寸的C5和Y3焊点存在焊料破裂现象，裂纹沿着焊料之间扩展，裂纹的长度约小于裂纹方向焊点连接长度的50%，说明焊点的电气性能仍然能够保持有效的连接；温冲后小封装尺寸的C124焊点未见开裂缺陷。对比C5与C124元件封装尺寸，发现封装尺寸较大的焊点更容易发现焊点开裂，主要原因为在相同热膨胀系数差异、相同温变范围情况下，封装尺寸越长，热膨胀变形的变化量越大。此外，其余温度循环、机械振动和机械冲击样品均未见开裂、不润湿或虚焊等缺陷，表明焊点耐温度循环、机械振动和机械冲击等环境应力的能力相对较好。