对于电子设备制造商而言，老化后及返修后的无铅和无铅/有铅混装的焊点 可靠性是一个重要课题。受政府法规和市场压力的驱动，目前全球制造厂商已 逐步转换成无铅，如果标识不当或没有合适的替换材料，那些需维护的有铅电 子设备可能不得不用无铅部件或材料进行返修。 本文作者进行了老化后和返修后的焊点可靠性试验研究。试验样品包括高 温老化后和未进行老化的无铅和有铅印制电路板组件，组件上有表面贴装元器 件，包括球栅阵列封装(BGA)、无引脚电阻、四方扁平封装(QFP)。试验样品中无 铅和有铅元器件和材料混合，而后对试验样品进行老化和返修。应用温度循环 载荷来检验焊点的可靠性，试验结果表明：对于PBGA封装焊点而言，高温老化 对无铅焊点的损伤影响要比有铅焊点大；另外，无铅PBGA焊点的失效分布要比 有铅焊点失效分布更宽。

大部分电子制造厂商已经完成了无铅材料和无铅 工艺的转换，以应对政府法规，并完成供应链 架构调整与之相适应[1][2][3]。与此同时，诸如 航天、军用和太空应用的电子制造厂商享有政府法规的豁 免，由于担心无铅元器件和组装的长期可靠性问题，他们都会尽量维持使用目前的有铅元器件和组装工艺。

在目前的情况下，无铅元器件可能会有意无意地用 在有铅组装工艺中，另外，那些需维护的有铅电子设备在 返修时可能有意无意地会使用无铅部件或材料。目前，对 于无铅硬件和那些用混装（无铅／有铅）焊料返修的硬件 的长期可靠性依然存在争议。对于无铅焊点的可靠性，业 界有大量的研究成果[1，4—9]。这些研究成果表明：在 温度循环载荷条件下，大多数情况的无铅组件焊点可靠性 与有铅焊点可靠性相当或更好。对于用有铅焊料焊接无铅 BGA元器件的焊点，研究表明其可靠性与纯无铅焊点相 当，前提是混装焊点中的铅均匀扩散分布在整个焊点中[9— 11]。然而，如果焊点中的铅没有扩散，那就会出现严重的 早期失效[10]。

对于返修焊点的可靠性，相关的信息很少，最值得 注意的数据来源于老旧飞机联合委员会（JCAA）和污染 防治联合小组（JGPP）赞助项目的近期研究成果[11]。在 JCAA/JGPP的研究中，设计了标准的有铅和无铅试验板， 试验板上面有各种常用的表面贴装元器件，板上也有一组 插装式元器件，而后进行环境试验。作为本研究的一部 分，试验板上进行了有铅焊料／无铅元器件组装，有铅组 件用无铅元器件进行返修。作为一种控制，有些有铅组件 焊点返修时用无铅元器件，而不是有铅元器件。当组件进 行－55℃～125℃温度循环时，发现用有铅焊料组装无铅 塑封BGA（PBGA）元器件的混装焊点，其特征寿命比有 铅焊料／有铅PBGA组成焊点的特征寿命要高，然而无铅 PBGA焊点的失效分布要比有铅PBGA焊点宽。失效分布更 宽也许说明了混装和无铅焊点结构的一致性较差。

除了返修，也要考虑老化对焊点可靠性的影响，最近对 无铅和有铅焊点可靠性的研究成果表明：高温老化会降低焊 点的拉伸强度[12]，然而，目前对于高温老化导致的焊点拉 伸强度降低是否会在其它环境试验中体现出来仍不清楚。 为了评估老化和返修对无铅和有铅焊点的影响，计算 机辅助产品寿命周期工程中心（CALCE）联合CALCE电子 产品及系统研究协会进行了相关试验研究，本文将阐述此 项研究和相关成果。

试验和测试计划
为了评估高温老化和返修对无铅和有铅焊点可靠性的 影响，设计和制造了一系列试验板。试验板上有常用的表 面贴装元器件，包括PBGA、QFP和无引脚电阻。试验板设 计成单面板，板厚为62mil，板材为普通FR4（玻璃化转化 温度较低，约130℃）。为了监控焊点互连可靠性，试验元 器件和单板互连组成低电阻菊花链网络。为了评估返修的 影响，会将试验板上焊好的元器件拆除并返修。整个试验板和所选择的返修元器件的示意图如图1所示。

分别制造加工无铅和有铅两套试验板。无铅试验板的 表面处理方式是化学锡，元器件是无铅，无铅元器件包括 Sn3.0Ag0.5Cu焊料球的BGA、引脚镀层为雾锡(matte Sn)／ Sn0.7Cu／Sn2.0Bi的QFP、焊端镀层为雾锡的2512片阻， 无铅镀层QFP的位置如图1所示。有铅版本试验板的表面处 理方式是锡铅热风整平（HASL），元器件的焊端镀层是锡 铅，其中BGA焊球是Sn37Pb，QFP引脚和2512片阻焊端的 镀层为Snl0Pb。所有元器件的镀层合金成分都用X射线荧光 检测仪（XRF）确认。

试验加工了六块无铅试验板和六块有铅试验板。表1列 出了有铅无铅材料混装返修情况下的试验组件和返修材料 具体情况。表2列出了有铅无铅材料混装返修情况下的试验 组件和返修材料具体情况。当进行片阻和QFP的有铅返修 时，使用的是Sn37Pb焊锡丝。进行无铅返修时，使用的是 Sn3.0Ag0.5Cu焊锡丝。进行BGA返修时，不使用焊膏。涉 及有铅元器件用无铅焊料混装的单元已用颜色区分。

由于存在电子组件需要存放一段时间才会装入系统 中应用的情况，所以应该考虑老化对可靠性的影响。储存 和老化也会影响返修后焊点的可靠性。为了评估老化的影 响，一半的无铅和有铅试验板在返修前进行125℃／350小 时的老化。

为了评估焊点可靠性，返修后和未返修的组件都进行 了温度循环试验，温度循环条件是－40℃～125℃，在高低 温极限停留时间为15分钟。在进行温度循环时，实时监控由 单个元器件和单板走线组成的菊花链网络电阻。失效的定义 是在最少10个连续的温度循环中，检测到一个以上的大于 300欧姆的电阻事件。各试验板的分类明细如表3所示。

表面贴装元器件的返修工艺
返修是在一家从事返修电子组件、符合IPC定义的3级 要求的OEM工厂内完成的，返修时用一全新同型号的元器 件替代原有元器件。QFP和片阻用手工焊接工具进行返修， BGA元器件用热风工作台进行返修，表4列出了返修工序的 具体细节。图2表示拆卸片阻，图3表示BGA元器件的重新贴装。

返修焊点检测
返修完所有元器件后用X—Ray进行了焊点检测。所有 BGA返修焊点仅有一个由于少锡而出现菊花链开路（如图 4所示），QFP返修后出现一个阻焊脱离（如图5所示）， 阻焊脱离会暴露铜走线，会由于铜迁移或腐蚀导致失效。 在未返修的组件中没有发现类似缺陷。

图6表示QFP返修后出现了引脚偏位，这导致焊点面积 减少。根据IPC－A－610D标准[13]，对于IPC定义的l、2级 产品，可以接受小于50％的侧悬出，对于IPC定义的3级产 品，可以接受小于25％的侧悬出。图7和图8分别给出了返 修后BGA的外围和中间焊点的光学照片。通过对外排的中 间焊点和角落焊点高度对比，可以看出它们的差异明显， 这一高度差异说明BGA元器件在组装过程中会发生翘曲， 用X－Ray对同一BGA封装进行检测，确认了这一焊点高度 差异（如图9所示）。

可靠性试验结果
温度循环后大多数PBGA焊点都出现了失效，对失效时 的循环数进行对比分析。图10说明了老化后和未老化组件 的未返修无铅BGA试验数据的两参数韦伯（Weibull）图对 比，图11则是有铅组件的类似曲线对比。结果表明，无铅 PBGA焊点的特征寿命在高温老化后会降低25％左右，而有 铅PBGA焊点的特征寿命在高温老化后仅降低5％左右。另 外，无铅PBGA焊点比有铅PBGA焊点的失效循环数分布更宽。

老化后和未老化无铅组件上的返修后P B G A焊点与 未返修PBGA焊点的失效循环数对比如图12。在该图中， R ( S n P b )表示原来的无铅B G A被有铅P B G A替换返修， R(SnAgCu)表示无铅PBGA被另一个无铅BGA替代返修。 NA表示未老化组件，A表示高温老化后组件。图13表示有 铅组件的类似对比图，在该图中，R（SnPb）表示原有有 铅元器件被另一有铅元器件替代返修，R（SnAgCu）表示 有铅元器件被无铅元器件替代返修。结果表明，返修后的 无铅焊点（见图12）的失效时间差异比有铅焊点的要大(见 图13)。

失效分析
为了判断已失效的PBGA电阻网络的具体失效位置，需 要进行破坏性分析。结果无论有铅还是无铅PBGA，所有的 失效位置都发生在焊点近元器件侧的硅片阴影区域，通过对 BGA封装的元器件基板的铜焊盘进行材料分析，证实有铅和 无铅BGA元器件都是镍镀层，在焊点近焊盘侧没有发现金。 焊点元器件侧是阻焊膜限制的焊盘，单板焊盘侧是铜箔限制 的焊盘。图14表示了锡铅焊点在元器件侧的失效。

图15表示未老化无铅焊点的失效位置的电镜照片， 与有铅PBGA类似，发现在焊点近元器件侧出现裂纹。图 16表示老化后无铅焊点失效的光学照片。对于高温老化后 的焊点，近单板侧的金属间化合物（IMC）的厚度要比未老化PBGA焊点近单板侧的 IMC要厚。

为了研究上述断裂位置 的元素构成，采用X射线能谱 仪(EDS)进行元素分析，发现 裂纹区域是富锡相，这表明 裂纹发生在焊点内的IMC(金 属间化合物)下侧(如图17)。

本文进一步调查了在 H A S L表面处理单板上无铅 PBGA替换返修有铅PBGA是否会在焊点中残留铅，X射线 能谱仪（EDS）分析结果表明返修后的焊点中不含铅。图 18～22表示替换无铅焊点微结构中发现的不同元素的元素 分布图。

结论
本文评估了高温老化和返修对无铅和有铅组件的影 响。返修缺陷包括引脚偏位、阻焊脱落、由封装翘曲导致 的PBGA焊点高度不一致。应用－40℃～125℃温度循环诱 发大部分PBGA焊点失效。

对已失效PBGA焊点的物理分析发现：无论是有铅或 无铅，焊点失效位置都发生在近铜箔限制的焊盘的元器件 侧。无铅PBGA焊点的失效循环数的分布要比有铅PBGA焊 点的宽。另外，高温老化对无铅PBGA焊点的损伤影响要比 有铅PBGA焊点的大，同时也发现已返修的无铅组件的失效 循环数差异分布要比已返修的有铅组件的宽，这一差异可 能与无铅组装工艺的成熟度、无铅焊料在所受应力条件下 的特征或返修工艺导致的缺陷有关。

图1

图2 & 3

图4-6

图7-10

图11-14

图15

图16-21

图22

表1-4