HDI無鉛數碼產品長期使用可靠性分析

PCB廠商、PCB設計師、PCBA廠商講解HDI無鉛數碼產品在長期使用中的可靠性分析

無鉛HDI工藝數字產品在長期使用中的可靠性需要注意很多方面，下面我們將討論幾個重要的問題：

通用汽車一位資深可靠性專家近日表示，“你知道無鉛帶來的問題嗎？沒有人能回答這么簡單的問題：如果我做的無鉛產品的質量和用錫的產品一樣 領導，他們能工作同樣長的時間嗎？”

問題很簡單，答案也不復雜。 經過多年的研究和試驗，研究人員將影響無鉛產品長期可靠性的因素歸納為以下五個方面。

錫縫

柯肯德爾空洞

無鉛焊料的機械振動

無鉛焊料的熱循環

導電陽極絲（CAF）

下面從這五個方面說起：

錫須

錫晶須是從元件和連接器的錫涂層中生長出來的。 如果這些導電錫須長得太長，它們可能會連接到其他線路并導致電氣短路。 通過在器件引腳上使用 90Sn10Pb 涂層，錫須問題得到了有效消除，但現在這個問題又出現了。

一些HDI工廠使用純錫鍍層器件大量生產無鉛產品。 使用過程中發現有錫須，不到2年就會出現故障。 雖然實際故障率并不清楚，但有證據表明，錫須故障并不會增加產品的整體返修率。 由于在最近三四年才出現在細引腳器件上鍍錫，因此錫須對長期可靠性的影響仍有待觀察。

如果您設計的不是可能造成人身傷害的產品，您應該首先考慮元器件和連接器是否具有以下特性：

引腳間距小于1mm（部分公司采用間距小于0.3mm）

可采用金屬外殼（如通孔晶振或振蕩器）

積壓的連接點（例如帶有彎曲連接器的電路）

焊縫（如電解電容）

一旦確定了關鍵組件，您應該要求組件制造商提供基于 iNEMI 建議或 JEDEC 標準 JESD22A121 的認證測試。 業界對故障的定義幾乎是一片空白，所以你可能需要提出自己的標準。 標準可以是絕對值，例如，最大晶須長度不能超過 25、50 或 75 μ m。 也可以是相對值（如最小間距的 1/3 或 1/2）。

柯肯德爾空洞

兩種不同材料之間，因擴散速率不同而產生的空洞稱為柯肯德爾空洞，這種空洞的產生機制在錫鉛焊料和無鉛焊料中均存在。 在最近的實驗中，在 SnPb 焊料中發現了非常嚴重的空洞。 然而，在過去30年的表面貼裝技術使用過程中，還沒有出現過因柯肯德爾空洞而導致產品故障的報道。

機械振動

即使您沒有遇到過柯肯德爾腔，您也應該做好因機械振動或跌落導致的產品性能下降的心理準備。 研究表明，SAC（SnAgCu）焊料合金在承受電路板振動、跌落或彎曲時的失效載荷小于SnPb合金的一半。 這種性能損失似乎是多種因素的結合，包括脆弱的金屬間鍵合、較高回流焊接溫度導致的電路板退化，以及由于 SAC 比 SnPb 更硬而導致的更大應力傳遞。

這是一個長期的可靠性問題還是從一開始就是質量問題？ 便攜式電子產品制造商的無鉛技術已經實施了數年，并沒有因下降而導致返修率提高的報道。 一些公司關注如何更好地控制制造環境，特別是將最大允許張力從1000微筋降低到750或500微筋。

熱循環

在某些特定情況下，SnPb 材料的熱性能優于無鉛材料。 應考慮以下情況。

對焊點疲勞高度敏感的元器件（如大片上電阻、陶瓷封裝的BGA、無引線陶瓷基板、未填充的芯片級封裝）。

最高節點溫度超過80℃，停留時間超過4小時（停留時間隨溫度升高而減少）。

熱循環每天至少進行一次，預期使用壽命至少為10年（使用壽命隨循環頻率的增加而降低）。

如果您處于上述這些情況，則需要根據現有的無鉛焊點可靠性模型進行加速壽命測試，以確定風險。

CAF的形成

導電陽極線（CAF）是由銅線沿玻璃纖維或樹脂界面遷移形成的，會在相鄰導體之間產生內部電短路，這對于高密度電路板的設計來說是一個嚴重的問題。 回流溫度越高，越容易出現這個問題。 一些大型HDI板制造商在使用無鉛回流焊時不能滿足用戶的CAF要求。

一些材料和加工工藝即使經過多次回流焊也可以避免CAF問題。 無論如何，所有這些方法都會增加成本，因為將使用專利或私有技術。 這樣一來，除非客戶特別要求，否則很多HDI板廠商是不會使用能防止CAF的材料的。

Interface Science (Goleta, CA) 通過引入硅烷開發了一種很有前途的緩解技術，可以最大限度地提高玻璃纖維密度和硅烷殼的一致性。 如果一致性好，玻璃纖維和樹脂可以結合得更緊密，可以降低CAF發生的概率。 PCB廠商、PCB設計師、PCBA廠商將講解HDI無鉛數碼產品在長期使用中的可靠性分析。