ay: block;">本文討論在具備NEMI較高溫合金的熱回流焊條件下,幾種環(huán)氧基多層板材的PTH性能和多層板材料特性的變化。
- 試驗(yàn)
- 互連應(yīng)力測(cè)試(IST)方法
- 試驗(yàn)結(jié)果
- 結(jié)論
- 建議
作者:John J. Davignon
Randy Reed
評(píng)測(cè)各種無(wú)鉛焊料合金在組裝與封裝中的應(yīng)用,是目前人們所最關(guān)心的問(wèn)題。與現(xiàn)行的Sn/Pb焊料回流焊溫度相比,許多新型合金具有較高的熔點(diǎn),從而回流焊溫度也要求較高。考慮到NEMI高熔點(diǎn)合金對(duì)熱回流焊的要求,本文討論幾種環(huán)氧基多層板材的PTH性能和多層板材料特性的變化。
盡管試驗(yàn)用環(huán)氧基多層板在高溫下會(huì)發(fā)生變色現(xiàn)象,但其玻璃材料跳變溫度(Tg)與Z方向的熱膨脹系數(shù)(CTE)沒(méi)有受到太大的影響。在三種板材中,二種板材達(dá)到多層剝離的時(shí)間縮短了,但并沒(méi)有達(dá)到很嚴(yán)重的程度。標(biāo)準(zhǔn)的FR-4環(huán)氧板材和Tg值高的環(huán)氧板材的PTH特性明顯變差,但是PPO/環(huán)氧混合板材的PTH特性卻沒(méi)有明顯變化。
無(wú)鉛焊接合金材料的發(fā)展,促使許多OEM制造商和國(guó)際財(cái)團(tuán)對(duì)無(wú)鉛焊接合金材料的反作用進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估包括兩個(gè)項(xiàng)目,即滿足最佳焊點(diǎn)連接可靠性要求的合金成分評(píng)估項(xiàng)目和最佳表面光潔度冶煉評(píng)估項(xiàng)目。對(duì)于此類的高溫回流焊,現(xiàn)有的FR-4環(huán)氧板材的相應(yīng)數(shù)據(jù)有限。作者所關(guān)注的是,高溫回流焊工藝可能會(huì)降低環(huán)氧板材的性能。
按照/合金的要求,采用一個(gè)方法對(duì)三種環(huán)氧板材在高溫回流焊中的特性進(jìn)行評(píng)測(cè)。/合金是National Electronics Manufacturing Initiative推薦使用的材料,故以下稱“NEMI合金”。NEMI合金獲得了許多大型OEM集團(tuán)的支持,它也是向完全無(wú)鉛化產(chǎn)品過(guò)渡的主要材料。該合金允許來(lái)自封裝元器件引線的少量鉛進(jìn)入焊點(diǎn),但不破壞三相合金的低熔點(diǎn)。在其它合金的選擇中,對(duì)溫度的要求略低(低熔點(diǎn))。
測(cè)評(píng)開(kāi)始前,要選擇金屬化孔(PTH)的特性和材料特性。
試驗(yàn)
本項(xiàng)目的試驗(yàn)采用英寸厚、18層的多層板,其上有一些IST試驗(yàn)?zāi)K,安裝在20×20 點(diǎn)、間隔為英寸的BGA陣列上,焊盤(pán)孔徑為英寸的孔(400個(gè))。外表面為裸銅拋光。IST被測(cè)件以英寸的邊長(zhǎng)、3×6多件包裝(multipak)的形式交付組裝。測(cè)試時(shí),被測(cè)件應(yīng)便于取下測(cè)試。
PCB疊層結(jié)構(gòu)為:第1層為信號(hào)層預(yù)處理；第2層為信號(hào)內(nèi)核分層；第3層為接地層預(yù)處理；第4層為信號(hào)內(nèi)核分層；第5層為接地層預(yù)處理；第6層為信號(hào)內(nèi)核分層；第7層為接地層預(yù)處理；第8層為接地內(nèi)核分層；第9層為信號(hào)中點(diǎn)對(duì)稱層。
本項(xiàng)目選用了三種多層板材進(jìn)行評(píng)測(cè):1. 標(biāo)準(zhǔn)的FR-4環(huán)氧多層板,Tg為140℃(DSC)；2. Tg值較高的環(huán)氧多層板,Tg為170℃(DSC)；3. 性能很好的環(huán)氧/PPO混合多層板,Tg為180℃(DSC)。
測(cè)試基準(zhǔn)組(以B表示)是在沒(méi)有經(jīng)過(guò)加熱或模擬回流焊循環(huán)的情況下獲得的,并將作為制造基準(zhǔn)。無(wú)論是普通的Sn/Pb焊料還是NEMI焊料,雖然所有的板材都要經(jīng)受一定程度的組裝回流焊,本文將主要探討整個(gè)回流焊溫度特性對(duì)Merix提供的不規(guī)則板材的影響進(jìn)行評(píng)測(cè)。
標(biāo)準(zhǔn)回流焊組(以SR表示),通過(guò)使用熱風(fēng)回流焊爐進(jìn)行5次仿真63Sn/37Pb標(biāo)準(zhǔn)的回流焊循環(huán)而獲得。回流焊溫度曲線如圖1所示,從圖中可以看出,電路板處于183℃(Sn/Pb焊料的溶點(diǎn))以上的時(shí)間為55秒,峰值溫度為215℃。
NEMI回流焊組(以NR表示),通過(guò)使用熱風(fēng)回流焊爐進(jìn)行5次仿真回流焊,結(jié)果可以改進(jìn)適用于新型NEMI/合金的溫度曲線。如圖2所示為回流焊溫度曲線,從圖2可以看出,電路板處于217℃(/焊料的溶點(diǎn))以上的時(shí)間為69秒,峰值溫度為259℃。
SR和NR在回流焊之前沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理。但是,要選擇5個(gè)回流焊循環(huán),目的是為大多數(shù)OEM廠家所要求的加熱曲線建立模型并最大限度地試驗(yàn)多層板的應(yīng)力。在回流焊循環(huán)過(guò)程中,并不向焊盤(pán)孔中加焊料,以確保性能試驗(yàn)時(shí)獲得準(zhǔn)確的失效周期(cycle-to-failure)數(shù)據(jù)。
回流焊循環(huán)完成后,將板子置于IST測(cè)試儀上進(jìn)行循環(huán)測(cè)試,直至測(cè)試出10%的電阻變化。失效的多層板將用做斷面顯微分析以找出失效的原因。多層板還要用PerkinsElmer DMA和TMA模式做熱性能變化的評(píng)測(cè),即CTE、Tg以及多層板剝離時(shí)間分析(T-260和T-288分析)。
互連應(yīng)力測(cè)試(IST)方法
IST方法的原理是向被測(cè)件直接施加電流,從而對(duì)被測(cè)件內(nèi)部進(jìn)行加熱。電流作用在加熱回路,加熱回路在第2層和第3層及第n-1層和第n-2層之間呈菊花狀分布。通電3分鐘,將被測(cè)件從室溫加熱至150℃,然后切斷電源,用風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻2分鐘,將被測(cè)件冷卻到室溫。這種熱循環(huán)會(huì)引起PTH孔壁以及多層板內(nèi)層互聯(lián)之間的循環(huán)應(yīng)變,從而加速了原始失效或潛在缺陷的顯現(xiàn)。以多層板開(kāi)始失效開(kāi)始計(jì)算,此時(shí)所能達(dá)到的熱循環(huán)次數(shù)作為PTH性能的評(píng)測(cè)指標(biāo)。
IST方法所采用的被測(cè)件要具備二條相互獨(dú)立的回路。加熱回路通過(guò)電阻發(fā)熱的方式對(duì)被測(cè)件進(jìn)行加熱(如上所述),并監(jiān)測(cè)層間互連的完整性(在多層板剝離或受到破壞后)和內(nèi)層的開(kāi)裂情況。感應(yīng)回路與加熱回路同時(shí)啟動(dòng),用于監(jiān)視被測(cè)件的溫度(采用電阻測(cè)量)和PTH孔壁的完整性(孔壁崩塌)。IST軟件通過(guò)一定的算法計(jì)算被測(cè)件上電阻的溫度,精度為±5℃。
IST被測(cè)件的制作和測(cè)試在Merix分析試驗(yàn)室進(jìn)行。電阻的預(yù)選確保被測(cè)件具備可測(cè)試性,電阻選擇時(shí),要確保在多包組件內(nèi)部以及多件包裝組件之間的電阻阻值偏差最小。
試驗(yàn)結(jié)果
表面顏色變化:采用NEMI加熱曲線最明顯的結(jié)果是多層板顏色的改變。比較基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)回流焊和NEMI回流焊三種情況下多層板的照片,可以發(fā)現(xiàn),NEMI被測(cè)件的顏色較深,說(shuō)明在高溫下部分環(huán)氧樹(shù)脂被氧化了,而這種氧化現(xiàn)象在標(biāo)準(zhǔn)的Sn/Pb回流焊中沒(méi)有出現(xiàn)。所有的多層板都出現(xiàn)了這種變色。
評(píng)估之前,人們認(rèn)為變色與IST測(cè)試結(jié)果及板材的熱特性有關(guān)。試驗(yàn)證明,這個(gè)設(shè)想是錯(cuò)誤的。
熱特性的變化:Tg和CTE的變化是聚合物結(jié)構(gòu)變化的最直接的表現(xiàn)。
1． Tg:FR-4和PPO/環(huán)氧多層板的Tg幾乎不受較高回流焊溫度的影響。只有高Tg值多層板的Tg發(fā)生了本質(zhì)的變化。
2．CTE:觀察Tg溫度下Z方向CTE的試驗(yàn)結(jié)果,可以看出較高回流焊溫度對(duì)CTE的變化幾乎沒(méi)有影響。Z方向CTE的變化是造成PTH失效的重要因素之一。加在PTH上的應(yīng)力與周圍多層板的膨脹有著直接的關(guān)系。因CTE變化所產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)使孔壁處產(chǎn)生應(yīng)變,從而引起熱循環(huán)疲勞,并造成徹底失效。
3．多層板剝離時(shí)間:T-260試驗(yàn)是將被測(cè)件以10℃/分鐘的速率從20℃加熱至260℃,并保持260℃的溫度直至發(fā)生明顯失效。260℃多層剝離時(shí)間是絕緣粘合層吸收應(yīng)力的能力表征。T-260試驗(yàn)結(jié)果表明較高的回流焊溫度對(duì)粘合強(qiáng)度有一定的影響。盡管多層剝離時(shí)間的縮短并不能意味著這種多層板不能用,但它確實(shí)說(shuō)明多層板的機(jī)械強(qiáng)度也隨之降低。造成T-260失效的因素很多,但聚合物脆化和氧化層的破壞是兩個(gè)主要原因。雖然PPO/環(huán)氧多層板的T-260值下降最大,多年的工業(yè)試驗(yàn)已經(jīng)證明,只要該值大于5分鐘,這種板材就可以接受。
T-288試驗(yàn)采用的溫度是288℃,288℃不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度,因此該溫度的多層剝離時(shí)間主要用于評(píng)估較高測(cè)試溫度下層間粘合線的應(yīng)變能力。客戶對(duì)采用較高溫度進(jìn)行試驗(yàn)很感興趣,其特別原因在于最新的組裝回流焊溫度已接近標(biāo)準(zhǔn)的T-260溫度。高溫試驗(yàn)的問(wèn)題是環(huán)氧多層板的炭化。T-288試驗(yàn)在高Tg值被測(cè)件燒焦后便停止了。
與T-260試驗(yàn)結(jié)果相比,在高溫288℃下,所有三組PPO/環(huán)氧混合多層板的多層剝離時(shí)間都下降了(很快嗎？)
試驗(yàn)項(xiàng)目的第一部分,是材料的熱性能評(píng)估。NEMI回流焊除了造成高Tg值多層板的Tg值降低外,并沒(méi)有引起板材性能的顯著變化。試驗(yàn)的第二部分,是IST方法評(píng)測(cè), NEMI回流焊造成兩種板材的性能下降。
4．PTH性能:IST試驗(yàn)設(shè)備能夠測(cè)試出被測(cè)件中兩條獨(dú)立回路的電阻值。在加熱和冷卻時(shí),電阻值每2秒被讀取一次。電阻值可作為失效原因的評(píng)測(cè)依據(jù)。對(duì)于原始失效和潛在缺陷尚無(wú)證據(jù)。最初50個(gè)循環(huán)中的失效可以看作潛在缺陷。最終所能達(dá)到的循環(huán)次數(shù)是衡量PTH性能的依據(jù)。為明確判定回流焊循環(huán)次數(shù)和多層板失效之間的關(guān)系,試驗(yàn)結(jié)果要與工業(yè)基準(zhǔn)相比較。FR-4的基準(zhǔn),是在IST設(shè)備上試驗(yàn)1500塊用FR-4板材制作的被測(cè)件(105萬(wàn)個(gè)PTH),板厚英寸,孔徑英寸,孔間距英寸。注意:本測(cè)評(píng)中采用英寸厚、英寸直徑和英寸間距的試驗(yàn)工具。在IST研究之前的數(shù)據(jù)表明,若采用板厚而孔小的方式,所有的性能參數(shù)都會(huì)下降。由于沒(méi)有適用于標(biāo)準(zhǔn)Sn/Pb回流焊的FR-4工業(yè)基準(zhǔn)和相應(yīng)的多層板,因而本試驗(yàn)所采用的工業(yè)基準(zhǔn)沒(méi)有組裝條件限定。對(duì)于PPO/環(huán)氧多層板和高Tg值FR-4板,同樣也沒(méi)有工業(yè)基準(zhǔn),為獲得可比性,只能將這些材料與FR-4板材工業(yè)基準(zhǔn)相比。
基準(zhǔn)FR-4板材的性能比沒(méi)有組裝條件限定的FR-4板材工業(yè)基準(zhǔn)高10%。與基準(zhǔn)FR-4板材相比,標(biāo)準(zhǔn)回流焊 (5次183℃以上熱循環(huán))將FR-4板材的性能減少了10%,NEMI回流焊(5次217℃以上熱循環(huán))使FR-4板材的性能下降了36%。所有失效都是由孔壁開(kāi)裂造成的,沒(méi)有出現(xiàn)互連失效(多層板剝離和/或?qū)娱_(kāi)裂)。
為解決性能下降的問(wèn)題,最普遍的想法是采用高Tg值的多層板。但是,下圖表明,對(duì)于NEMI回流焊熱循環(huán)來(lái)說(shuō),采用高Tg值的多層板是錯(cuò)誤的。
高Tg值板材比無(wú)組裝條件限定的FR-4基準(zhǔn)板材的性能要強(qiáng)240%,這是因?yàn)門(mén)g比IST試驗(yàn)溫度(150℃)要高。試驗(yàn)溫度沒(méi)有提高,因而顯示出高Tg板材的優(yōu)點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)回流焊(183℃以上5 次循環(huán))的性能與基準(zhǔn)板材的性能相同,這說(shuō)明,標(biāo)準(zhǔn)回流焊循環(huán)對(duì)PTH的性能幾乎沒(méi)有影響。與高Tg值板材基準(zhǔn)相比,NEMI回流焊(217℃以上5 次循環(huán))使性能明顯下降(下降了80%)。令人感興趣的是,在NEMI回流焊后高Tg值FR-4多層板和FR-4多層板的性能是一樣的。所有的失效都是孔壁開(kāi)裂造成的,沒(méi)有證據(jù)表明出現(xiàn)了互連失效(多層板剝離和/或?qū)娱_(kāi)裂)。
PPO/環(huán)氧混合板材的性能比無(wú)組裝條件限定的FR-4工業(yè)基準(zhǔn)板材高50%,與基準(zhǔn)PPO/環(huán)氧板材相比,標(biāo)準(zhǔn)回流焊使PPO/環(huán)氧混合板材的性能下降26%,NEMI回流焊使PPO/環(huán)氧混合板材的性能下降33%。對(duì)于兩種回流焊工藝,PPO/環(huán)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,沒(méi)有證據(jù)表明出現(xiàn)了互連失效(多層板剝離或?qū)娱_(kāi)裂)。
F(方差)試驗(yàn)和t(均值)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的目的是找出被測(cè)件的統(tǒng)計(jì)偏差,統(tǒng)計(jì)證實(shí):NEMI回流焊循環(huán)明顯地降低了FR-4板材和高Tg環(huán)氧多層板的性能(不是均勻下降)。NEMI回流焊對(duì)PPO/環(huán)氧多層板則幾乎沒(méi)有影響。
金屬分析證明了IST試驗(yàn)的結(jié)果,即所有被測(cè)件的失效都是由接近板中央的孔壁開(kāi)裂造成的。圖3是被測(cè)件中觀察到的典型孔壁開(kāi)裂現(xiàn)象。正是所預(yù)料的那樣,可靠的產(chǎn)品都是由于疲勞才失效的。電阻值和顯微截面顯示,失效(多層剝離和/或?qū)娱_(kāi)裂)不是由層間互聯(lián)引起的。
結(jié)論
高溫NEMI熱風(fēng)回流焊會(huì)導(dǎo)致所有三種測(cè)試板材發(fā)生變色。氮?dú)馇逑磳?duì)減輕變色的作用還不清楚。變色并不是性能降低的唯一表征。采用標(biāo)準(zhǔn)回流焊則幾乎不變色,然而標(biāo)準(zhǔn)回流焊會(huì)引起FR-4多層板的PTH性能降低,PPO/環(huán)氧板材性能的降低更甚(Merix已在其他IST研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了這種性能降低的現(xiàn)象)。
NEMI合金回流焊的溫度除了造成高Tg值多層板的Tg有所下降外,對(duì)Tg(TMA)和Z向CTE(TMA)值沒(méi)有影響。業(yè)界常用的笨辦法是將溫度變化5℃來(lái)讓Tg值發(fā)生真正的漂移。T-260試驗(yàn)結(jié)果表明PPO/環(huán)氧板材的性能有一定的下降,而FR-4板材的性能變化很小。業(yè)界通常把加熱超過(guò)5分鐘性能不發(fā)生變化的板材認(rèn)為是可以接受的。有兩種純環(huán)氧板材不能承受溫度更高的T-288試驗(yàn),它們?cè)诩訜徇^(guò)程中會(huì)燒焦。
經(jīng)驗(yàn)證,IST方法是鑒別NEMI回流焊對(duì)板材性能影響的最佳方法。IST方法是根據(jù)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)測(cè),而不是憑表面現(xiàn)象。即使PPO/環(huán)氧板與其它兩種環(huán)氧多層板一樣會(huì)發(fā)生變色,而兩者經(jīng)過(guò)NEMI回流焊的性能與經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)Sn/Pb回流焊的性能沒(méi)有統(tǒng)計(jì)值上的不同。經(jīng)統(tǒng)計(jì),FR-4環(huán)氧板材和高Tg值多層板材經(jīng)過(guò)NEMI回流焊后,其性能明顯降低。
建議:
1. 由于此次評(píng)測(cè)顯示熱特性不能表征回流焊后的性能,因此建議在所有的無(wú)鉛評(píng)測(cè)項(xiàng)目中采用熱循環(huán)試驗(yàn)。
2. 由于NEMI回流焊后多層板會(huì)發(fā)生變色,因此建議板的層壓特別是阻焊膜的層壓應(yīng)納入無(wú)鉛評(píng)測(cè)項(xiàng)目中。
3. 由于產(chǎn)品壽命的縮短,建議業(yè)界應(yīng)對(duì)可接收的后端組裝熱循環(huán)PTH的性能等級(jí)進(jìn)行評(píng)測(cè)。
