核電廠DCS安全級設(shè)備中板卡無鉛焊接可靠性研究

李建剛，李俊卿，張瑞鋒，王 順

（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094）

0 引言

2006年7月1日，出于環(huán)境保護的目的，歐盟對RoHS，鉛、鎘、汞、六價鉻、多溴聯(lián)苯（PBB）、多溴二苯醚（PBDE）6種有害物質(zhì)明確要求禁止。受到RoHS環(huán)保要求影響，目前大量的工業(yè)級電子元器件供應(yīng)商逐漸進行工藝變更以符合RoHS的規(guī)定，致使大量元器件焊接端已無鉛化，很多有鉛元器件已停產(chǎn)或難以采購，導致公司板級自產(chǎn)品釬焊工藝使用有鉛焊料焊接無鉛元器件。由于兩種合金材質(zhì)的不同，導致其工藝參數(shù)的范圍不同，如焊料熔化溫度的差異、焊接峰值要求的差異以及兩種合金表面張力差異等[1]。雖經(jīng)過摸索和驗證，找到兼容混焊工藝的參數(shù)，但該參數(shù)為了平衡這些差異使得工藝參數(shù)控制難度提高，兼容的要求使工藝窗口變窄。因此，使用無鉛焊料焊接無鉛元器件，提高焊料合金匹配度，拓寬工藝窗口，保證工藝穩(wěn)定性同樣是產(chǎn)品生產(chǎn)制造方面較為重要的需求。

圖1 爐溫曲線Fig.1 Furnace temperature curve

1 無鉛工藝驗證方案

1.1 無鉛工藝驗證范圍

根據(jù)HAF601[3]、HAF003[2]中對安全級板卡工藝過程控制的要求，基于電子裝聯(lián)行業(yè)國際標準IPC-J-STD-001[4]、IPC-A-610[5]及當前安全級自產(chǎn)品有鉛焊接工藝評定的實施經(jīng)驗，安全級自產(chǎn)品板卡的焊接過程中涉及回流焊接、選擇性波峰焊接、手工焊接，本文針對回流焊接工藝中無鉛工藝的質(zhì)量加以驗證。

1.2 無鉛工藝驗證步驟

依據(jù)當前工藝驗證經(jīng)驗，有鉛焊接工藝和無鉛焊接工藝主要的差異為錫膏成份，而裝焊過程中主要影響焊接質(zhì)量的因素為焊接時的回流曲線。

因此，無鉛工藝驗證過程主要分為：無鉛回流曲線設(shè)置、工藝質(zhì)量評價、無鉛工藝可靠性驗證。

2 無鉛工藝驗證

2.1 無鉛回流曲線設(shè)置

本內(nèi)容主要是導入無鉛回流工藝的關(guān)鍵參數(shù)溫度曲線。在第1次回流工藝參數(shù)的設(shè)置中，為了盡量降低焊點的空洞率，保溫時間統(tǒng)一控制在120s左右（參考錫膏使用說明），主要考察不同的回流時間與峰值溫度對焊接質(zhì)量的影響。實測溫度曲線如圖1所示。

2.2 工藝質(zhì)量評價

2.2.1 外觀檢查

圖2 焊點X-ray對比Fig.2 X-ray comparison of solder joints

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

對曲線1～曲線3制備的PCBA進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)曲線1的樣品部分焊點可見錫粉形貌，呈現(xiàn)明顯的冷焊現(xiàn)象；曲線3的樣品部分焊點的助焊劑殘留物呈現(xiàn)發(fā)黃的現(xiàn)象，助焊劑殘留物發(fā)黃可能與焊接過程中熱量過大有關(guān)，而曲線2的樣品外觀未見明顯異常現(xiàn)象。

2.2.2 X-ray檢查

對曲線1～曲線3制備的PCBA進行X-ray檢查，發(fā)現(xiàn)曲線1的樣品BGA焊點呈現(xiàn)“枕頭”缺陷如圖2所示，曲線2與曲線3的BGA焊點形貌良好，空洞率分別約為2.8%與9.9%，遠低于25%。

2.2.3 金相切片

對曲線1～曲線3制備的PCBA進行金相切片分析，分析位置包括BGA焊點以及其他表貼焊點。金相切片結(jié)果發(fā)現(xiàn)：曲線1的樣品BGA焊點高度較大，坍塌不良，部分BGA焊點存在冷焊如圖3所示，呈現(xiàn)“枕頭”缺陷，曲線2與曲線3的樣品BGA焊點坍塌良好，未見明顯異常如圖3所示。

2.2.4 SEM﹠EDS

對曲線1～曲線3的焊點截面進行SEM﹠EDS分析，主要針對BGA焊點截面進行分析。

曲線1制備的BGA焊點存在明顯冷焊現(xiàn)象，錫膏未完全熔融；BGA焊球內(nèi)部存在較為細膩、彌散的Sn-Ag以及Sn-Ag-Cu合金顆粒；SEM﹠EDS分析結(jié)果如圖4所示。

曲線2制備的BGA焊點坍塌良好，BGA焊球內(nèi)部存在較為細膩、彌散的Sn-Ag以及Sn-Ag-Cu合金顆粒。

曲線3制備的BGA焊點坍塌良好，BGA焊球內(nèi)部存在較為粗大的Sn-Cu-Ni合金組織。

2.2.5 無鉛回流工藝質(zhì)量總結(jié)

曲線1制備的板卡存在明顯的冷焊現(xiàn)象，BGA焊點存在坍塌不良以及枕頭缺陷。

圖4 SEM﹠EDS結(jié)果（曲線1，BGA焊點）Fig.4 SEM﹠EDS results (curve 1,BGA solder joints)

曲線3制備的板卡焊點的工藝質(zhì)量未見明顯缺陷，然而BGA焊點內(nèi)部形成了粗大的Sn-Cu-Ni合金組織，部分PCB側(cè)的IMC厚度達到了7.9μm。焊接界面IMC厚度過大、焊點內(nèi)部存在大塊金相組織會降低焊點的機械強度以及耐疲勞性能，表明該曲線的焊接熱量過高。

曲線2制備的PCBA焊點的工藝質(zhì)量未見明顯缺陷，BGA焊點坍塌良好，焊點內(nèi)部形成了較為細膩、彌散的Sn-Ag以及Sn-Ag-Cu合金顆粒，在焊接界面的IMC較為均勻連續(xù)。根據(jù)圖1的回流焊接溫度曲線分析，曲線2的焊接熱量適中，焊接質(zhì)量較好。

2.3 無鉛工藝可靠性評價

對最優(yōu)無鉛工藝參數(shù)制備的板卡開展工藝可靠性鑒定工作，通過對板卡施加一定的環(huán)境應(yīng)力，然后對經(jīng)受環(huán)境應(yīng)力后的無鉛焊點進行評估，研究無鉛工藝制備的板卡耐環(huán)境應(yīng)力能力工藝可靠性鑒定。

經(jīng)過各項試驗后，對選定的點進行金相切片分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1000次溫沖后，大封裝尺寸的C5和Y3焊點存在焊料破裂現(xiàn)象，裂紋沿著焊料之間擴展，裂紋的長度約小于裂紋方向焊點連接長度的50%如圖5所示。

對可靠性試驗后的PCBA焊點進行評價，其它各項均合格。

金相切片分析，發(fā)現(xiàn)1000次溫沖后大封裝尺寸的C5和Y3焊點存在焊料破裂現(xiàn)象，裂紋沿著焊料之間擴展，裂紋的長度約小于裂紋方向焊點連接長度的50%，說明焊點的電氣性能仍然能夠保持有效的連接；溫沖后小封裝尺寸的C124焊點未見開裂缺陷。對比C5與C124元件封裝尺寸，發(fā)現(xiàn)封裝尺寸較大的焊點更容易發(fā)現(xiàn)焊點開裂，主要原因為在相同熱膨脹系數(shù)差異、相同溫變范圍情況下，封裝尺寸越長，熱膨脹變形的變化量越大。此外，其余溫度循環(huán)、機械振動和機械沖擊樣品均未見開裂、不潤濕或虛焊等缺陷，表明焊點耐溫度循環(huán)、機械振動和機械沖擊等環(huán)境應(yīng)力的能力相對較好。

圖5 溫沖后金相 (C5)Fig.5 Metallographic (C5) after warm punching

綜上所述，可以得到以下結(jié)論：焊點耐溫度循環(huán)、焊點耐溫度沖擊、機械振動和機械沖擊環(huán)境應(yīng)力的能力較強。

3 無鉛焊接驗證結(jié)論

依據(jù)核電行業(yè)相關(guān)技術(shù)要求，結(jié)合核安全級產(chǎn)品可靠性方面的要求，通過從無鉛回流焊接焊點質(zhì)量以及可靠性評價兩個維度的驗證試驗，得出優(yōu)化后的無鉛工藝參數(shù)；同時通過分析總結(jié)這些試驗數(shù)據(jù)并與實際產(chǎn)品工藝需求相結(jié)合，建立起一套針對核電廠數(shù)字化儀控設(shè)備板卡無鉛焊接可靠性的驗證方法。