NEMI 合金组装回流焊对PTH的影响

本文讨论在具备NEMI较高温合金的热回流焊条件下,几种环氧基多层板材的PTH性能和多层板材料特性的变化。

• 试验
  

• 互连应力测试(IST)方法
  

• 试验结果
  

• 结论
  

• 建议
  

作者:John J. Davignon

Randy Reed

评测各种无铅焊料合金在组装与封装中的应用,是目前人们所最关心的问题。与现行的Sn/Pb焊料回流焊温度相比,许多新型合金具有较高的熔点,从而回流焊温度也要求较高。考虑到NEMI高熔点合金对热回流焊的要求,本文讨论几种环氧基多层板材的PTH性能和多层板材料特性的变化。

尽管试验用环氧基多层板在高温下会发生变色现象,但其玻璃材料跳变温度(Tg)与Z方向的热膨胀系数(CTE)没有受到太大的影响。在三种板材中,二种板材达到多层剥离的时间缩短了,但并没有达到很严重的程度。标准的FR-4环氧板材和Tg值高的环氧板材的PTH特性明显变差,但是PPO/环氧混合板材的PTH特性却没有明显变化。

无铅焊接合金材料的发展,促使许多OEM制造商和国际财团对无铅焊接合金材料的反作用进行评估。评估包括两个项目,即满足最佳焊点连接可靠性要求的合金成分评估项目和最佳表面光洁度冶炼评估项目。对于此类的高温回流焊,现有的FR-4环氧板材的相应数据有限。作者所关注的是,高温回流焊工艺可能会降低环氧板材的性能。

按照95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu合金的要求,采用一个方法对三种环氧板材在高温回流焊中的特性进行评测。95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu合金是National Electronics Manufacturing Initiative推荐使用的材料,故以下称“NEMI合金”。NEMI合金获得了许多大型OEM集团的支持,它也是向完全无铅化产品过渡的主要材料。该合金允许来自封装元器件引线的少量铅进入焊点,但不破坏三相合金的低熔点。在其它合金的选择中,对温度的要求略低(低熔点)。

测评开始前,要选择金属化孔(PTH)的特性和材料特性。

试验

本项目的试验采用0.125英寸厚、18层的多层板,其上有一些IST试验模块,安装在20×20 点、间隔为0.050英寸的BGA阵列上,焊盘孔径为0.0135英寸的孔(400个)。外表面为裸铜抛光。IST被测件以0.100英寸的边长、3×6多件包装(multipak)的形式交付组装。测试时,被测件应便于取下测试。

PCB叠层结构为:第1层为信号层预处理；第2层为信号内核分层；第3层为接地层预处理；第4层为信号内核分层；第5层为接地层预处理；第6层为信号内核分层；第7层为接地层预处理；第8层为接地内核分层；第9层为信号中点对称层。

本项目选用了三种多层板材进行评测:1. 标准的FR-4环氧多层板,Tg为140℃(DSC)；2. Tg值较高的环氧多层板,Tg为170℃(DSC)；3. 性能很好的环氧/PPO混合多层板,Tg为180℃(DSC)。

测试基准组(以B表示)是在没有经过加热或模拟回流焊循环的情况下获得的,并将作为制造基准。无论是普通的Sn/Pb焊料还是NEMI焊料,虽然所有的板材都要经受一定程度的组装回流焊,本文将主要探讨整个回流焊温度特性对Merix提供的不规则板材的影响进行评测。

标准回流焊组(以SR表示),通过使用热风回流焊炉进行5次仿真63Sn/37Pb标准的回流焊循环而获得。回流焊温度曲线如图1所示,从图中可以看出,电路板处于183℃(Sn/Pb焊料的溶点)以上的时间为55秒,峰值温度为215℃。

NEMI回流焊组(以NR表示),通过使用热风回流焊炉进行5次仿真回流焊,结果可以改进适用于新型NEMI95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu合金的温度曲线。如图2所示为回流焊温度曲线,从图2可以看出,电路板处于217℃(95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu焊料的溶点)以上的时间为69秒,峰值温度为259℃。

SR和NR在回流焊之前没有经过预热处理。但是,要选择5个回流焊循环,目的是为大多数OEM厂家所要求的加热曲线建立模型并最大限度地试验多层板的应力。在回流焊循环过程中,并不向焊盘孔中加焊料,以确保性能试验时获得准确的失效周期(cycle-to-failure)数据。

回流焊循环完成后,将板子置于IST测试仪上进行循环测试,直至测试出10%的电阻变化。失效的多层板将用做断面显微分析以找出失效的原因。多层板还要用PerkinsElmer DMA和TMA模式做热性能变化的评测,即CTE、Tg以及多层板剥离时间分析(T-260和T-288分析)。

互连应力测试(IST)方法

IST方法的原理是向被测件直接施加电流,从而对被测件内部进行加热。电流作用在加热回路,加热回路在第2层和第3层及第n-1层和第n-2层之间呈菊花状分布。通电3分钟,将被测件从室温加热至150℃,然后切断电源,用风扇强制冷却2分钟,将被测件冷却到室温。这种热循环会引起PTH孔壁以及多层板内层互联之间的循环应变,从而加速了原始失效或潜在缺陷的显现。以多层板开始失效开始计算,此时所能达到的热循环次数作为PTH性能的评测指标。

IST方法所采用的被测件要具备二条相互独立的回路。加热回路通过电阻发热的方式对被测件进行加热(如上所述),并监测层间互连的完整性(在多层板剥离或受到破坏后)和内层的开裂情况。感应回路与加热回路同时启动,用于监视被测件的温度(采用电阻测量)和PTH孔壁的完整性(孔壁崩塌)。IST软件通过一定的算法计算被测件上电阻的温度,精度为±5℃。

IST被测件的制作和测试在Merix分析试验室进行。电阻的预选确保被测件具备可测试性,电阻选择时,要确保在多包组件内部以及多件包装组件之间的电阻阻值偏差最小。

试验结果

表面颜色变化:采用NEMI加热曲线最明显的结果是多层板颜色的改变。比较基准、标准回流焊和NEMI回流焊三种情况下多层板的照片,可以发现,NEMI被测件的颜色较深,说明在高温下部分环氧树脂被氧化了,而这种氧化现象在标准的Sn/Pb回流焊中没有出现。所有的多层板都出现了这种变色。

评估之前,人们认为变色与IST测试结果及板材的热特性有关。试验证明,这个设想是错误的。

热特性的变化:Tg和CTE的变化是聚合物结构变化的最直接的表现。

1． Tg:FR-4和PPO/环氧多层板的Tg几乎不受较高回流焊温度的影响。只有高Tg值多层板的Tg发生了本质的变化。

2．CTE:观察Tg温度下Z方向CTE的试验结果,可以看出较高回流焊温度对CTE的变化几乎没有影响。Z方向CTE的变化是造成PTH失效的重要因素之一。加在PTH上的应力与周围多层板的膨胀有着直接的关系。因CTE变化所产生的应力会使孔壁处产生应变,从而引起热循环疲劳,并造成彻底失效。

3．多层板剥离时间:T-260试验是将被测件以10℃/分钟的速率从20℃加热至260℃,并保持260℃的温度直至发生明显失效。260℃多层剥离时间是绝缘粘合层吸收应力的能力表征。T-260试验结果表明较高的回流焊温度对粘合强度有一定的影响。尽管多层剥离时间的缩短并不能意味着这种多层板不能用,但它确实说明多层板的机械强度也随之降低。造成T-260失效的因素很多,但聚合物脆化和氧化层的破坏是两个主要原因。虽然PPO/环氧多层板的T-260值下降最大,多年的工业试验已经证明,只要该值大于5分钟,这种板材就可以接受。

T-288试验采用的温度是288℃,288℃不是一个标准测试温度,因此该温度的多层剥离时间主要用于评估较高测试温度下层间粘合线的应变能力。客户对采用较高温度进行试验很感兴趣,其特别原因在于最新的组装回流焊温度已接近标准的T-260温度。高温试验的问题是环氧多层板的炭化。T-288试验在高Tg值被测件烧焦后便停止了。

与T-260试验结果相比,在高温288℃下,所有三组PPO/环氧混合多层板的多层剥离时间都下降了(很快吗？)

试验项目的第一部分,是材料的热性能评估。NEMI回流焊除了造成高Tg值多层板的Tg值降低外,并没有引起板材性能的显著变化。试验的第二部分,是IST方法评测, NEMI回流焊造成两种板材的性能下降。

4．PTH性能:IST试验设备能够测试出被测件中两条独立回路的电阻值。在加热和冷却时,电阻值每2秒被读取一次。电阻值可作为失效原因的评测依据。对于原始失效和潜在缺陷尚无证据。最初50个循环中的失效可以看作潜在缺陷。最终所能达到的循环次数是衡量PTH性能的依据。为明确判定回流焊循环次数和多层板失效之间的关系,试验结果要与工业基准相比较。FR-4的基准,是在IST设备上试验1500块用FR-4板材制作的被测件(105万个PTH),板厚0.093英寸,孔径0.020英寸,孔间距0.050英寸。注意:本测评中采用0.125英寸厚、0.0135英寸直径和0.050英寸间距的试验工具。在IST研究之前的数据表明,若采用板厚而孔小的方式,所有的性能参数都会下降。由于没有适用于标准Sn/Pb回流焊的FR-4工业基准和相应的多层板,因而本试验所采用的工业基准没有组装条件限定。对于PPO/环氧多层板和高Tg值FR-4板,同样也没有工业基准,为获得可比性,只能将这些材料与FR-4板材工业基准相比。

基准FR-4板材的性能比没有组装条件限定的FR-4板材工业基准高10%。与基准FR-4板材相比,标准回流焊 (5次183℃以上热循环)将FR-4板材的性能减少了10%,NEMI回流焊(5次217℃以上热循环)使FR-4板材的性能下降了36%。所有失效都是由孔壁开裂造成的,没有出现互连失效(多层板剥离和/或层开裂)。

为解决性能下降的问题,最普遍的想法是采用高Tg值的多层板。但是,下图表明,对于NEMI回流焊热循环来说,采用高Tg值的多层板是错误的。

高Tg值板材比无组装条件限定的FR-4基准板材的性能要强240%,这是因为Tg比IST试验温度(150℃)要高。试验温度没有提高,因而显示出高Tg板材的优点。标准回流焊(183℃以上5 次循环)的性能与基准板材的性能相同,这说明,标准回流焊循环对PTH的性能几乎没有影响。与高Tg值板材基准相比,NEMI回流焊(217℃以上5 次循环)使性能明显下降(下降了80%)。令人感兴趣的是,在NEMI回流焊后高Tg值FR-4多层板和FR-4多层板的性能是一样的。所有的失效都是孔壁开裂造成的,没有证据表明出现了互连失效(多层板剥离和/或层开裂)。

PPO/环氧混合板材的性能比无组装条件限定的FR-4工业基准板材高50%,与基准PPO/环氧板材相比,标准回流焊使PPO/环氧混合板材的性能下降26%,NEMI回流焊使PPO/环氧混合板材的性能下降33%。对于两种回流焊工艺,PPO/环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,没有证据表明出现了互连失效(多层板剥离或层开裂)。

F(方差)试验和t(均值)统计试验的目的是找出被测件的统计偏差,统计证实:NEMI回流焊循环明显地降低了FR-4板材和高Tg环氧多层板的性能(不是均匀下降)。NEMI回流焊对PPO/环氧多层板则几乎没有影响。

金属分析证明了IST试验的结果,即所有被测件的失效都是由接近板中央的孔壁开裂造成的。图3是被测件中观察到的典型孔壁开裂现象。正是所预料的那样,可靠的产品都是由于疲劳才失效的。电阻值和显微截面显示,失效(多层剥离和/或层开裂)不是由层间互联引起的。

结论

高温NEMI热风回流焊会导致所有三种测试板材发生变色。氮气清洗对减轻变色的作用还不清楚。变色并不是性能降低的唯一表征。采用标准回流焊则几乎不变色,然而标准回流焊会引起FR-4多层板的PTH性能降低,PPO/环氧板材性能的降低更甚(Merix已在其他IST研究时发现了这种性能降低的现象)。

NEMI合金回流焊的温度除了造成高Tg值多层板的Tg有所下降外,对Tg(TMA)和Z向CTE(TMA)值没有影响。业界常用的笨办法是将温度变化5℃来让Tg值发生真正的漂移。T-260试验结果表明PPO/环氧板材的性能有一定的下降,而FR-4板材的性能变化很小。业界通常把加热超过5分钟性能不发生变化的板材认为是可以接受的。有两种纯环氧板材不能承受温度更高的T-288试验,它们在加热过程中会烧焦。

经验证,IST方法是鉴别NEMI回流焊对板材性能影响的最佳方法。IST方法是根据性能数据进行评测,而不是凭表面现象。即使PPO/环氧板与其它两种环氧多层板一样会发生变色,而两者经过NEMI回流焊的性能与经过标准Sn/Pb回流焊的性能没有统计值上的不同。经统计,FR-4环氧板材和高Tg值多层板材经过NEMI回流焊后,其性能明显降低。

建议:

1. 由于此次评测显示热特性不能表征回流焊后的性能,因此建议在所有的无铅评测项目中采用热循环试验。

2. 由于NEMI回流焊后多层板会发生变色,因此建议板的层压特别是阻焊膜的层压应纳入无铅评测项目中。

3. 由于产品寿命的缩短,建议业界应对可接收的后端组装热循环PTH的性能等级进行评测。