HDI无铅数码产品长期使用可靠性分析

HDI无铅数码产品长期使用可靠性分析

PCB厂商、PCB设计师、PCBA厂商讲解HDI无铅数码产品在长期使用中的可靠性分析

无铅HDI工艺数字产品在长期使用中的可靠性需要注意很多方面，下面我们将讨论几个重要的问题：

通用汽车一位资深可靠性专家近日表示，“你知道无铅带来的问题吗？没有人能回答这么简单的问题：如果我做的无铅产品的质量和用锡的产品一样 领导，他们能工作同样长的时间吗？”

问题很简单，答案也不复杂。 经过多年的研究和试验，研究人员将影响无铅产品长期可靠性的因素归纳为以下五个方面。

锡缝

柯肯德尔空洞

无铅焊料的机械振动

无铅焊料的热循环

导电阳极丝（CAF）

下面从这五个方面说起：

锡须

锡晶须是从元件和连接器的锡涂层中生长出来的。 如果这些导电锡须长得太长，它们可能会连接到其他线路并导致电气短路。 通过在器件引脚上使用 90Sn10Pb 涂层，锡须问题得到了有效消除，但现在这个问题又出现了。

一些HDI工厂使用纯锡镀层器件大量生产无铅产品。 使用过程中发现有锡须，不到2年就会出现故障。 虽然实际故障率并不清楚，但有证据表明，锡须故障并不会增加产品的整体返修率。 由于在最近三四年才出现在细引脚器件上镀锡，因此锡须对长期可靠性的影响仍有待观察。

如果您设计的不是可能造成人身伤害的产品，您应该首先考虑元器件和连接器是否具有以下特性：

引脚间距小于1mm（部分公司采用间距小于0.3mm）

可采用金属外壳（如通孔晶振或振荡器）

积压的连接点（例如带有弯曲连接器的电路）

焊缝（如电解电容）

一旦确定了关键组件，您应该要求组件制造商提供基于 iNEMI 建议或 JEDEC 标准 JESD22A121 的认证测试。 业界对故障的定义几乎是一片空白，所以你可能需要提出自己的标准。 标准可以是绝对值，例如，最大晶须长度不能超过 25、50 或 75 μ m。 也可以是相对值（如最小间距的 1/3 或 1/2）。

柯肯德尔空洞

两种不同材料之间，因扩散速率不同而产生的空洞称为柯肯德尔空洞，这种空洞的产生机制在锡铅焊料和无铅焊料中均存在。 在最近的实验中，在 SnPb 焊料中发现了非常严重的空洞。 然而，在过去30年的表面贴装技术使用过程中，还没有出现过因柯肯德尔空洞而导致产品故障的报道。

机械振动

即使您没有遇到过柯肯德尔腔，您也应该做好因机械振动或跌落导致的产品性能下降的心理准备。 研究表明，SAC（SnAgCu）焊料合金在承受电路板振动、跌落或弯曲时的失效载荷小于SnPb合金的一半。 这种性能损失似乎是多种因素的结合，包括脆弱的金属间键合、较高回流焊接温度导致的电路板退化，以及由于 SAC 比 SnPb 更硬而导致的更大应力传递。

这是一个长期的可靠性问题还是从一开始就是质量问题？ 便携式电子产品制造商的无铅技术已经实施了数年，并没有因下降而导致返修率提高的报道。 一些公司关注如何更好地控制制造环境，特别是将最大允许张力从1000微筋降低到750或500微筋。

热循环

在某些特定情况下，SnPb 材料的热性能优于无铅材料。 应考虑以下情况。

对焊点疲劳高度敏感的元器件（如大片上电阻、陶瓷封装的BGA、无引线陶瓷基板、未填充的芯片级封装）。

最高节点温度超过80℃，停留时间超过4小时（停留时间随温度升高而减少）。

热循环每天至少进行一次，预期使用寿命至少为10年（使用寿命随循环频率的增加而降低）。

如果您处于上述这些情况，则需要根据现有的无铅焊点可靠性模型进行加速寿命测试，以确定风险。

CAF的形成

导电阳极线（CAF）是由铜线沿玻璃纤维或树脂界面迁移形成的，会在相邻导体之间产生内部电短路，这对于高密度电路板的设计来说是一个严重的问题。 回流温度越高，越容易出现这个问题。 一些大型HDI板制造商在使用无铅回流焊时不能满足用户的CAF要求。

一些材料和加工工艺即使经过多次回流焊也可以避免CAF问题。 无论如何，所有这些方法都会增加成本，因为将使用专利或私有技术。 这样一来，除非客户特别要求，否则很多HDI板厂商是不会使用能防止CAF的材料的。

Interface Science (Goleta, CA) 通过引入硅烷开发了一种很有前途的缓解技术，可以最大限度地提高玻璃纤维密度和硅烷壳的一致性。 如果一致性好，玻璃纤维和树脂可以结合得更紧密，可以降低CAF发生的概率。 PCB厂商、PCB设计师、PCBA厂商将讲解HDI无铅数码产品在长期使用中的可靠性分析。