通过测试确认无铅连接器的焊点可靠性

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通过测试确认无铅连接器的焊点可靠性 [复制链接]

本月伊始，欧盟RoHS指令开始生效。电子行业的OEM厂商和合同制造商都已经开足马力，加快用无铅镀锡和无铅焊料代替电子元件上的引脚铅锡抛光和焊接所用的有铅焊料。
在所有可能的方案中，电镀纯锡被选作为连接器无铅抛光的处理方案。电镀纯锡的优点包括成本低，与现有电镀工艺和设备兼容，镀层厚度可控因而应用方便、耐蚀性好，以及无需对引脚端和连接器进行重新设计。尽管电镀纯锡在连接器产品上已经可靠地使用了25年以上，但利用无铅焊接工艺将无铅镀锡的连接器固定在PCB上时，焊点的可靠性究竟如何？关于这方面，还需要进行更深入的研究。
在本文讨论的无铅焊点的可靠性研究中，我们在用于SMT和过孔(TH)工艺的连接器上，使用了带镍扩散屏栅的纯锡亮光镀锡及哑光镀锡两种方法。为了保证向后兼容和无铅研究，在SMT和TH工艺中的无铅镀锡元件上，分别使用了易溶的铅锡焊料和SAC405(Sn-4Ag-0.5Cu)无铅焊料。

图1：本文LLCR可靠性研究中使用的测试板。

同时，为了比较，研究中也观察了传统铅锡抛光与易溶铅锡焊料焊接的SMT和TH焊点。图1给出了该研究采用的测试工具。可以看出，不同尺寸、间距和引脚数量的连接元件通过匹配电缆装置和子卡安装到PCB上。在电子制造厂中，利用传统的易溶铅锡和无铅SAC405焊料的恒温焊接炉，通过SMT和波峰焊工艺将这些连接器焊接到PCB上。
通过目测，对测试板上的所有焊点进行了检查。总的来说，检查发现绝大部分焊点都正常，但有些焊点处能找到细微的缺陷(例如出现焊接空隙、杂散小锡球以及锡量过少)。但这些小缺陷应该不会影响可靠性测试的结果，而且进一步全面优化SMT和波峰焊接工艺之后，应该能够得以纠正。通过对测试板上的焊点进行横切可以发现，SAC405焊料与易溶铅锡焊料对无铅抛光与含铅抛光的SMT与TH元件的管脚浸润都很好。
LLCR可靠性测试
在本研究中，还按照EIA 364-23A/IEC 6501 2-2-1规范，将低电平电路电阻(LLCR)测试作为一个电气稳定性的可靠性指标，以检查焊点是否受各种加速测试条件的影响而退化。在将TH和SMT连接元件的测试板送去进行各种加速测试条件下的LLCR可靠性测试之前，匹配电缆插接组件和配接子卡都必须连接好并固定牢靠。
进行LLCR测试的加速测试包括：(1)干燥高温试验(温度为85°，干燥加热，500小时)；(2)湿度高温试验(温度为85°C，R.H.湿度为85%，500小时)；(3)温度循环冲击试验(温度在15分钟内从－40°上升到85°C，保持15分钟，循环测试1,000次)；(4)冲击和振动试验(所依据的机械冲击标准为EIA 364-27，而随机振动标准为EIA 364-28)。在进行冲击和振动试验时，通过对测试板上的所有焊点的电连续性进行连续监测，并未发现任何断接。

图2：轴心拉伸力作用于含铅焊点与无铅焊点的测试结果。
所有LLCR加速测试的结果都显示，并未出现由于亮光和哑光纯锡镀层与易溶铅锡焊料或SAC焊料构成的连接元件焊点退化所造成的电阻数据错误。同时，意料之中的是，在使用易溶铅锡焊料焊接的传统镀铅锡元件焊点上也未发现由于焊点退化而造成的LLCR电阻错误。从测试结果可以得出如下结论：即根据各种加速测试条件下的产品规范，该研究中的所有含铅或无铅焊点都通过了LLCR可靠性测试。
引脚轴向拉伸测试
为了了解焊点的强度特性，我们在LLCR可靠性测试之外又进行了轴向拉伸测试。利用一台拉伸测试机对连接器的每个引脚端进行测试。在拉伸测试之前，应先将连接器的塑料外壳从引脚上剥离掉，并保持连接器完整地安装在PCB上，以便测试。
对于TH元件来说，所有的拉伸测试问题都出现在接触尖齿(contact tine)或电路板划线(score line)处，而焊点处都没有问题。这表明，所有的TH焊点强度都高于接触强度。而对SMT元件而言，含铅焊点与无铅焊点进行轴向拉伸测试的轴向拉力并没有大的差别，详见图2。然而，拉伸测试后，在采用无铅抛光的无铅SMT工艺焊点上，发现了焊接空隙。这一发现与参考文献[2](详见本刊网站)中提到的无铅回流工艺中出现的焊接空隙类似。焊点上的空隙说明，要最大程度地减少焊点上出现的空隙，需要对无铅SMT工艺进行工艺优化[3] (详见本刊网站)。
经过扫描电子显微镜(SEM)下的检查显示，对于拉伸测试后的SMT样本，在含铅与无铅焊点的断裂面上，锡质焊料中出现典型的微凹形延性断口。此外，在表面上还发现有一些金属互化裂纹的斑状区域、金属互化物/焊料接口处的断裂，以及SMT工艺造成的焊接空隙。对断裂面进行SEM检查还发现，含铅SMT工艺对元件的含铅抛光引脚的浸润比无铅抛光引脚的浸润要好。
综上所述，该研究在各种加速测试条件下，分别利用含铅焊接与无铅焊接工艺将亮光和哑光的含铅与无铅TH和SMT连接器焊接到作为LLCR可靠性测试中的测试板的PCB上。LLCR测试结果显示，各种加速测试条件下，含铅测试板与无铅测试板中均未出现电阻错误。而且，对比亮光和哑光的含铅与无铅TH和SMT连接器的焊点，焊点可靠性未发现大的差异。
用无铅焊料焊接的焊点中出现的焊接空隙数量比用易溶铅锡焊料焊接的焊点中多。但这对焊点整体可靠性的影响不大，因为在加速测试过程中，所有焊点的LLCR都为低阻值并且保持稳定。
参考文献：
[1] P. Elmgren, D. Dixon, R. D. Hilty, T. Moyer, S. Lal, A. Nitsche, and F. Teuber, "Pure Tin - The Connector Finish of Choice", IPC/JEDEC 4th International Conference on Lead-Free Electronic Components and Assemblies, (October 2003).
[2] B. Huang and N.-C. Lee, "Prospect of Lead Free, Alternatives for Reflow Soldering", in Proceedings of IMAPS, Chicago, IL, (Oct. 1999).
[3] Y. Liu, W. Manning, B. Huang, and N.-C. Lee, "A Kinetic Approach of Profiling for Voiding Control at Lead-Free Reflow Soldering", in Proceedings of 2005 SMTA International Conference, Chicago, IL, (Sept. 25-29, 2005), pp. 197-205.
作者：George J.S. Ch
博士
泰科电子公司