通用汽車的一位高級可靠性專家最近表示：“你知道無鉛帶來的問題嗎？沒有人能夠回答這樣一個簡單的問題：如果我所制造的無鉛產(chǎn)品的質(zhì)量與用錫鉛的產(chǎn)品一樣，它們工作的時間能一樣長嗎？”
問題很簡單，答案也并不復(fù)雜。經(jīng)過多年的研究和試驗，研究人員已經(jīng)把影響無鉛產(chǎn)品長期可靠性的因素歸結(jié)到以下5個方面。
● 錫須
● Kirkendall空洞
● 無鉛焊料的機(jī)械震動
● 無鉛焊料的熱循環(huán)
● 導(dǎo)電陽極絲(CAF)
錫須
錫須是從元器件和接頭的錫鍍層上生長出來的，如果這些導(dǎo)電的錫須長得太長的話，可能連到其他線路上，并導(dǎo)致電氣短路。通過在器件引腳上使用90Sn10Pb鍍層已經(jīng)有效地消除了錫須問題，但現(xiàn)在這個問題又冒了出來。
有些公司用鍍純錫的器件生產(chǎn)了大量的無鉛產(chǎn)品，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用過程中的錫須問題，并且在不到2年的時間內(nèi)就會出現(xiàn)故障。雖然還不清楚實際的故障率，但證據(jù)顯示錫須故障并未使總體的產(chǎn)品返修率增加。由于在細(xì)引腳器件上鍍錫是最近三四年才有的事情，錫須對長期可靠性的影響還有待觀察。
如果你不是在設(shè)計可能會造成人身傷害的產(chǎn)品，元器件和連接器就要首先考慮是不是具有下面這些特點(diǎn)。
● 引腳間距小于1mm(有些公司采用的間距小于0.3mm)
● 可采用金屬外殼(例如通孔晶振或振蕩器)
● 受積壓的連接點(diǎn)(例如接頭彎曲的電路)
● 有焊縫(例如電解電容)
一旦確定了關(guān)鍵器件，你應(yīng)該要求器件生產(chǎn)商提供基于iNEMI建議或JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD22A121的認(rèn)證測試。業(yè)界對故障的定義幾乎還是空白，所以你也許需要提出自己的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)既可以是絕對數(shù)值，例如最大的晶須長度不能超過25、50或75μm，也可以是相對數(shù)值(如最小間距的1/3或1/2)。
Kirkendall空洞
在兩種不相近的材料之間，由于擴(kuò)散速率的不同所產(chǎn)生的空洞就稱為Kirkendall空洞，這種空洞產(chǎn)生機(jī)制在SnPb和無鉛焊料中均存在。在最近的實驗中，SnPb焊料中會產(chǎn)生很嚴(yán)重的空洞。但在過去30年的表面安裝技術(shù)使用過程中，還沒有因為Kirkendall空洞導(dǎo)致產(chǎn)品故障的報告。
在無鉛焊料中，Kirkendall空洞是由一些未知因素造成的，似乎會使問題更加嚴(yán)重，尤其是在長期的高溫條件下。
機(jī)械震動
即使你沒有碰到過Kirkendall空洞，對因機(jī)械震動或跌落造成的產(chǎn)品性能下降還是要有所準(zhǔn)備。有研究表明，在被施加震動、跌落或電路板被彎曲時，SAC(SnAgCu)焊料合金的失效負(fù)載還不到SnPb合金的一半。這種性能損失似乎是幾個因素的共同作用，包括脆弱的金屬間化合，因更高的回流焊接溫度而導(dǎo)致的電路板降級，由于SAC比SnPb更硬而傳遞了更大的應(yīng)力。
這到底是一個長期可靠性問題，還是從一開始就是一個質(zhì)量問題呢？便攜式電子產(chǎn)品制造商的無鉛化已經(jīng)實施了數(shù)年，還沒有因為跌落導(dǎo)致返修率增加的報告。有些公司把注意力集中到如何更好地控制制造環(huán)境，特別是減小最大的允許張力，從1000微肋變減少到750或500微肋變。
熱循環(huán)
在某些特定的情況下，SnPb材料的熱性能比無鉛的要好，應(yīng)該考慮下面的一些情況。
● 對焊點(diǎn)疲勞高度敏感的元件(如大型片上電阻、陶瓷封裝的BGA、無引腳陶瓷基片、未填充的芯片級封裝)。
● 最大的節(jié)點(diǎn)溫度超過80℃，駐留時間超過4小時(駐留時間隨溫度上升而下降)。
● 每天至少進(jìn)行一次熱循環(huán)，預(yù)期使用壽命至少為10年(使用壽命隨循環(huán)頻率的增加而減小)。
如果你處在上面提到的這些情況下，就需要進(jìn)行基于現(xiàn)有的無鉛焊料節(jié)點(diǎn)可靠性模型的加速壽命實驗來確定風(fēng)險。公開的模型更可靠一些，Amkor和德國的Fraunhofer Institute為此做出了很多工作。
CAF的形成
導(dǎo)電陽極絲(CAF)是由銅絲沿著玻璃纖維或樹脂接口遷移形成的，會在相鄰的導(dǎo)體間產(chǎn)生內(nèi)部的電氣短路，這對高密度電路板的設(shè)計來說是一個嚴(yán)重的問題，更高的回流焊溫度會導(dǎo)致該問題更易發(fā)生。有些大型PCB板生產(chǎn)商在使用無鉛回流焊時，就無法滿足用戶的CAF要求。
有些材料和加工工藝即使經(jīng)過多次回流焊，也可以使電路板避免CAF問題。不管怎樣，所有這些辦法都會增加成本，因為會用到專利的或私有的技術(shù)。這樣一來，除非客戶特別要求，許多PC板生產(chǎn)商就不會采用可防CAF的材料。
Interface Science(Goleta，CA)通過引入硅烷開發(fā)了一種很有前途的減緩技術(shù)，可使密度和玻璃纖維的硅烷外殼一致性達(dá)到最大。更好的一致性可以使玻璃纖維和樹脂結(jié)合得更加緊密，減少了CAF發(fā)生的可能性。
