核电厂DCS安全级设备中板卡无铅焊接可靠性研究

李建刚，李俊卿，张瑞锋，王 顺

（北京广利核系统工程有限公司，北京 100094）

0 引言

2006年7月1日，出于环境保护的目的，欧盟对RoHS，铅、镉、汞、六价铬、多溴联苯（PBB）、多溴二苯醚（PBDE）6种有害物质明确要求禁止。受到RoHS环保要求影响，目前大量的工业级电子元器件供应商逐渐进行工艺变更以符合RoHS的规定，致使大量元器件焊接端已无铅化，很多有铅元器件已停产或难以采购，导致公司板级自产品钎焊工艺使用有铅焊料焊接无铅元器件。由于两种合金材质的不同，导致其工艺参数的范围不同，如焊料熔化温度的差异、焊接峰值要求的差异以及两种合金表面张力差异等[1]。虽经过摸索和验证，找到兼容混焊工艺的参数，但该参数为了平衡这些差异使得工艺参数控制难度提高，兼容的要求使工艺窗口变窄。因此，使用无铅焊料焊接无铅元器件，提高焊料合金匹配度，拓宽工艺窗口，保证工艺稳定性同样是产品生产制造方面较为重要的需求。

图1 炉温曲线Fig.1 Furnace temperature curve

1 无铅工艺验证方案

1.1 无铅工艺验证范围

根据HAF601[3]、HAF003[2]中对安全级板卡工艺过程控制的要求，基于电子装联行业国际标准IPC-J-STD-001[4]、IPC-A-610[5]及当前安全级自产品有铅焊接工艺评定的实施经验，安全级自产品板卡的焊接过程中涉及回流焊接、选择性波峰焊接、手工焊接，本文针对回流焊接工艺中无铅工艺的质量加以验证。

1.2 无铅工艺验证步骤

依据当前工艺验证经验，有铅焊接工艺和无铅焊接工艺主要的差异为锡膏成份，而装焊过程中主要影响焊接质量的因素为焊接时的回流曲线。

因此，无铅工艺验证过程主要分为：无铅回流曲线设置、工艺质量评价、无铅工艺可靠性验证。

2 无铅工艺验证

2.1 无铅回流曲线设置

本内容主要是导入无铅回流工艺的关键参数温度曲线。在第1次回流工艺参数的设置中，为了尽量降低焊点的空洞率，保温时间统一控制在120s左右（参考锡膏使用说明），主要考察不同的回流时间与峰值温度对焊接质量的影响。实测温度曲线如图1所示。

2.2 工艺质量评价

2.2.1 外观检查

图2 焊点X-ray对比Fig.2 X-ray comparison of solder joints

图3 金相切片（曲线1、曲线2、曲线3 BGA）Fig.3 Gold phase slices (curve 1, Curve 2, Curve 3 BGA)

对曲线1～曲线3制备的PCBA进行外观检查，发现曲线1的样品部分焊点可见锡粉形貌，呈现明显的冷焊现象；曲线3的样品部分焊点的助焊剂残留物呈现发黄的现象，助焊剂残留物发黄可能与焊接过程中热量过大有关，而曲线2的样品外观未见明显异常现象。

2.2.2 X-ray检查

对曲线1～曲线3制备的PCBA进行X-ray检查，发现曲线1的样品BGA焊点呈现“枕头”缺陷如图2所示，曲线2与曲线3的BGA焊点形貌良好，空洞率分别约为2.8%与9.9%，远低于25%。

2.2.3 金相切片

对曲线1～曲线3制备的PCBA进行金相切片分析，分析位置包括BGA焊点以及其他表贴焊点。金相切片结果发现：曲线1的样品BGA焊点高度较大，坍塌不良，部分BGA焊点存在冷焊如图3所示，呈现“枕头”缺陷，曲线2与曲线3的样品BGA焊点坍塌良好，未见明显异常如图3所示。

2.2.4 SEM﹠EDS

对曲线1～曲线3的焊点截面进行SEM﹠EDS分析，主要针对BGA焊点截面进行分析。

曲线1制备的BGA焊点存在明显冷焊现象，锡膏未完全熔融；BGA焊球内部存在较为细腻、弥散的Sn-Ag以及Sn-Ag-Cu合金颗粒；SEM﹠EDS分析结果如图4所示。

曲线2制备的BGA焊点坍塌良好，BGA焊球内部存在较为细腻、弥散的Sn-Ag以及Sn-Ag-Cu合金颗粒。

曲线3制备的BGA焊点坍塌良好，BGA焊球内部存在较为粗大的Sn-Cu-Ni合金组织。

2.2.5 无铅回流工艺质量总结

曲线1制备的板卡存在明显的冷焊现象，BGA焊点存在坍塌不良以及枕头缺陷。

图4 SEM﹠EDS结果（曲线1，BGA焊点）Fig.4 SEM﹠EDS results (curve 1,BGA solder joints)

曲线3制备的板卡焊点的工艺质量未见明显缺陷，然而BGA焊点内部形成了粗大的Sn-Cu-Ni合金组织，部分PCB侧的IMC厚度达到了7.9µm。焊接界面IMC厚度过大、焊点内部存在大块金相组织会降低焊点的机械强度以及耐疲劳性能，表明该曲线的焊接热量过高。

曲线2制备的PCBA焊点的工艺质量未见明显缺陷，BGA焊点坍塌良好，焊点内部形成了较为细腻、弥散的Sn-Ag以及Sn-Ag-Cu合金颗粒，在焊接界面的IMC较为均匀连续。根据图1的回流焊接温度曲线分析，曲线2的焊接热量适中，焊接质量较好。

2.3 无铅工艺可靠性评价

对最优无铅工艺参数制备的板卡开展工艺可靠性鉴定工作，通过对板卡施加一定的环境应力，然后对经受环境应力后的无铅焊点进行评估，研究无铅工艺制备的板卡耐环境应力能力工艺可靠性鉴定。

经过各项试验后，对选定的点进行金相切片分析，发现经过1000次温冲后，大封装尺寸的C5和Y3焊点存在焊料破裂现象，裂纹沿着焊料之间扩展，裂纹的长度约小于裂纹方向焊点连接长度的50%如图5所示。

对可靠性试验后的PCBA焊点进行评价，其它各项均合格。

金相切片分析，发现1000次温冲后大封装尺寸的C5和Y3焊点存在焊料破裂现象，裂纹沿着焊料之间扩展，裂纹的长度约小于裂纹方向焊点连接长度的50%，说明焊点的电气性能仍然能够保持有效的连接；温冲后小封装尺寸的C124焊点未见开裂缺陷。对比C5与C124元件封装尺寸，发现封装尺寸较大的焊点更容易发现焊点开裂，主要原因为在相同热膨胀系数差异、相同温变范围情况下，封装尺寸越长，热膨胀变形的变化量越大。此外，其余温度循环、机械振动和机械冲击样品均未见开裂、不润湿或虚焊等缺陷，表明焊点耐温度循环、机械振动和机械冲击等环境应力的能力相对较好。

图5 温冲后金相 (C5)Fig.5 Metallographic (C5) after warm punching

综上所述，可以得到以下结论：焊点耐温度循环、焊点耐温度冲击、机械振动和机械冲击环境应力的能力较强。

3 无铅焊接验证结论

依据核电行业相关技术要求，结合核安全级产品可靠性方面的要求，通过从无铅回流焊接焊点质量以及可靠性评价两个维度的验证试验，得出优化后的无铅工艺参数；同时通过分析总结这些试验数据并与实际产品工艺需求相结合，建立起一套针对核电厂数字化仪控设备板卡无铅焊接可靠性的验证方法。