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決定無鉛焊接互連可靠性的七個因素

決定無鉛焊接互連可靠性的七個因素

作者:
2018/12/25 16:12
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 隨著越來越多的無鉛電子産品上市,可靠性問題成爲許多人關注的焦點問題。與其它無鉛相關問題(如合金選擇、工藝窗口等)不同,在可靠性方面,我們經常會聽到分歧很大的觀點。一開始,我們聽到許多“專家”說無鉛要比錫鉛更可靠。就在我們信以爲真時,又有“專家”說錫鉛要比無鉛更可靠。我們到底應該相信哪一個呢?這要視具體情況而定。
 
  無鉛焊接互連可靠性是一個非常複雜的問題,它取決于許多因素,我們簡單列舉以下七個方面的因素:
 
  1)取決于焊接合金。對于回流焊,“主流的”無鉛焊接合金是Sn-Ag-Cu(SAC),而波峰焊則可能是SAC或Sn-Cu。SAC合金和Sn-Cu合金擁有不同的可靠性性能。
 
  2)取決于工藝條件。對于大型複雜電路板,焊接溫度通常爲260(C,這可能會給PCB和元器件的可靠性帶來負面影響,但它對小型電路板的影響較小,因爲最大回流焊溫度可能會比較低。
 
  3)取决于PCB层压材料。某些PCB (特别是大型复杂的厚电路板)根据层压材料的属性,可能会由于无铅焊接温度较高,而导致分层、层压破裂、Cu裂缝、CAF (传导阳极丝须)失效等故障率上升。它还取决于PCB表面涂层。例如,经过观察发现,焊接与Ni层(从ENIG涂层)之间的接合要比焊接与Cu (如OSP和浸银)之间的接合更易断裂,特别是在机械撞击下(如跌落测试中)。此外,在跌落测试中,无铅焊接会发生更多的PCB破裂。
 
  4)取決于元器件。某些元器件,如塑料封裝的元器件、電解電容器等,受到提高的焊接溫度的影響程度要超過其它因素。其次,錫絲是使用壽命長的高端産品中精細間距的元器件更加關注的另一個可靠性問題。此外,SAC合金的高模量也會給元器件帶來更大的壓力,給低k介電系數的元器件帶來問題,這些元器件通常會更加易失效。
 
  5)取決于機械負荷條件。SAC合金的高應力率靈敏度要求更加注意無鉛焊接界面在機械撞擊下的可靠性(如跌落、彎曲等),在高應力速率下,應力過大會導致焊接互連(和/或PCB)易斷裂。
 
  6)取決于熱機械負荷條件。在熱循環條件下,蠕變/疲勞交互作用會通過損傷積聚效應而導致焊點失效(即組織粗化/弱化,裂紋出現和擴大),蠕變應力速率是一個重要因素。蠕變應力速率隨著焊點上的熱機械載荷幅度變化,從而SAC焊點在“相對溫和”的條件下能夠比Sn-Pb焊點承受更多的熱循環,但在“比較嚴重”的條件下比Sn-Pb焊點承受更少的熱循環。熱機械負荷取決于溫度範圍、元器件尺寸及元器件和基底之間的CTE不匹配程度。例如,有報告顯示,在通過熱循環測試的同一塊電路板上,帶有Cu引線框的元器件在SAC焊點中經受的熱循環數量要高于Sn-Pb焊點,而采用42合金引線框的元器件(其PCB的CTE不匹配程度更高)在SAC合金焊點中比Sn-Pb焊點將提前發生故障。也是在同一塊電路板上,0402陶瓷片狀器件的焊點在SAC中通過的熱循環數量要超過Sn-Pb,而2512元器件則相反。再舉一個例子,許多報告稱,在0℃和100℃之間熱循環時,FR4上1206陶瓷電阻器的焊點在無鉛焊接中發生故障的時間要晚于Sn-Pb,而在溫度極限是-40℃和150℃時,這一趨勢則恰好相反。
 
  7)取決于“加速系數”。這也是一個有趣的、關系非常密切的因素,但這會使整個討論變得複雜得多,因爲不同的合金(如SAC與Sn-Pb)有不同的加速系數。因此,無鉛焊接互連的可靠性取決于許多因素。這些因素錯綜複雜、相互影響,其詳細討論可以參見最新出版的圖書《無鉛焊接互連可靠性》
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