去金:高可靠性应用的关键要求

作者:ACE PRODUCTION TECHNOLOGIES公司:Alan Cable

金是一种非凡的金属,具有许多独特的性能,如具有良好的导电性,具有高的抗氧化性和耐腐蚀性。由于这一原因,金通常被用于电子制造的各种应用中,如在铜基金属上浸渍金具有非常耐腐蚀的作用。由于金不容易氧化,在半导体器件中它为金铝引线键合提供了保护层和高可焊性表面。然而在焊接过程中,金在相对低温下熔化,并迅速溶解,在焊点内含有金会削弱互连的完整性。如果焊料合金液相形式下金溶解水平过高,最终焊点的成分和力学性能将改变,当金与其他金属形成焊点时,将导致金脆。

金脆

锡铅(SnPb)焊点中过多金残余导致金脆化是一个众所周知的失效机制。无铅焊料如SAC305等,当部分与金结合时,由于锡含量较高,更能够保持机械性能。然而SAC305焊点也会随着含金量增加而退化,独立研究表明,在SAC305焊点中,在可接受和不可接受的金水平之间似乎没有明确定义的阈值,因此一般建议去金。

对于一个给定的基板组件,金脆的风险取决于许多不同的因素,包括从表面区域浸出的金量、金镀层厚度和最终焊点的焊料体积,焊料来自不可测量源如波峰焊或选择性焊接,还是来自可测量源如回流焊膏。印制板涂饰如化学镀镍浸金(ENIG)或化学镀镍钯浸金(ENIPIG)所带来的金量也是一个因素。

金脆是一个很重要的可靠性问题,是3级高可靠性应用的一个主要问题。焊点总质量中,金的质量分数大于5%,发生金脆的可能性增加。由于电子器件越来越小型化,元件引脚和印制板焊盘之间的间距变得更小,焊点体积中金的绝对质量分数将上升。SnPb和SAC305焊点中,金的质量分数达到5%时,开始对焊点产生负面影响,因此现在IPC J-STD-001 F要求去金。

了解IPC J-STD-001 F

去金,有时被称为“洗金”,在板级组装之前不进行去金,以前按照J-STD-001 E被认为对2级组件是可行的,对于3级组件被列为缺陷。J-STD-001 F的一个重大变化是,对于2级和3级电子产品,不进行去金都被认为是一个缺陷。由于这种变化,现在J-STD-001 F影响了许多商业以及军事/航空航天工业电子制造商。J-STD-001的这一变化也影响了以前制造高端2级产品使用镀金元件的合约电子制造商(CEMS)和原始设备制造商(OEM)。

J-STD-001 F要求去金:

*通孔元件引脚金层厚度2.54 μm(100微英寸),去金表面至少95%,无论金层厚度如何,通孔元件引脚的全部表面应手工去金。

*无论金层厚度如何,表面贴装元件(SMT)去金表面至少95%。

*焊接端子镀2.54 μm(100微英寸)金层厚度,表面全部去金,无论金层厚度如何,焊杯端全部去金。

J-STD-001 F进一步指出,双镀锡工艺或动态焊料波都可以用于元件组装前的去金处理。F版也肯定,当焊料量低或焊接过程停留时间不足,让金溶解在整个焊点,无论金层厚度如何都有可能发生金脆焊点。

印制电路板组装前,不当的元件引脚和焊端去金,会导致焊点裂纹和/或现场故障。正因为如此,高度建议完全去金,以便焊料能够机电性地和冶金性地焊接到基底金属,在大多数情况下,基底金属是镍或铜。

去镀金

众所周知,镀金保护器件端通过严酷的高可靠性鉴定过程,然而焊点中过多的金会导致金脆。重新镀锡可从元件端去金,重新镀锡期间金溶解在熔融的焊料中。随着IPC J-STD-001 F的执行,去金和元件重新镀锡已成为许多高可靠性应用的一个重要步骤。

SMT和通孔元件去镀金的理想方法是采用热浸锡工艺。建议使用可控制焊剂涂覆、对流预热、内置浮渣撇渣器双动态焊锡锅、氮气惰性气氛以及定义工艺控制的镀锡铅设备或系统进行重新镀锡操作。高度推荐用这种工艺代替手工在静态焊料锅中浸渍元件,减少焊料污染,最小化非润湿问题,提高可焊性。

动态焊料锅比静态焊料锅好,两个焊料锅比一个好,因为去镀金、氧化层或其他残残留物的擦洗动作是在第一个焊料锅中进行。氮气惰性气氛有利于焊料涂饰的外观,同时减少锡尖和浮渣堆积。元件引脚或焊端浸渍到焊剂中应是可控的,允许焊剂向上流动到引脚或焊端的控制深度。在第二个焊料锅中应使用定义的撤出或提取速度,以控制重新镀锡层厚度,焊料锅应定期对铜、镍和其他污染物进行测试。

据观察,有些军事和航空航天制造商仍然使用单一或静态焊料锅,或在某些情况下仅一个静态焊料锅进行重新镀锡。这是不推荐的做法,因为污染物、焊剂堆积和金的积累将被转移到重新镀锡的元件引脚或焊端上。许多军事/航空航天行业的制造商仍然使用20世纪80年代的已过时的标准,不了解新的GEIASTD-0006重新镀锡要求。

ANSI/GEIA-STD-0006电子元件使用浸焊替代涂饰的要求指出,机械浸渍焊接设备应有:

*动态焊料波或焊料浸渍前去除浮渣的其他方法;

*在预热和焊料锅中可控的停留时间±0.1 s;

*可控的浸渍深度±0.1 mm;

*可控的从焊料锅提取速度±0.3 cm/s;

*在浸焊前元件应预热至小于71 ℃;

*每一元件侧总浸焊时间应小于5 s。

为了实现金属间化合物,重新镀锡工艺前后应采用润湿平衡测试仪或弧面状沾锡试验测试元件可焊性,以及任何可疑元件的预清洗,以在重新镀锡工艺前去除有机物和氧化物。对元件引脚或焊端涂饰使用焊剂非常有效。如前所述,应使用二个焊料锅系统,第一锅“擦洗”或去除不必要的电镀层和氧化物,第二锅用来施加纯净的焊料合金作为最终涂层。应控制浸入焊料的速度、浸渍深度、停留时间和提取速度,以提供均匀性和工艺一致性。

在为元件重新镀锡选择合适的助焊剂中应该注意的是,镀锡工艺不需要使用松香型助焊剂,因为松香基助焊剂一般只指定用于可焊性试验。应使用焊端涂饰指定的焊剂,如果镀锡后允许清洗,最好使用水基(低pH值)焊剂,对于镀锡后不允许清洗的元件,可使用免清洗、醇基焊剂。在所有情况下,焊剂量应尽量最小化,浸渍元件要足够深,以获得一个完整的焊端涂层,不留任何残留物。

许多通孔和表面贴装元件,特别是塑封元件,引脚或焊端浸渍在焊料中5 s足够了,浸焊前不需要预热。陶瓷体、玻璃体或其他热敏元件必须预热后再镀锡,以减少热冲击。红外热源具有潜在的危险,会损坏某些类型的元件,强制对流预热是均匀的和可控的。

元件供应链趋势

无铅化的持续发展涉及到了有源和无源电子元件的供应链。随着RoHS符合性元件的可获得性提高,锡铅焊端涂饰的元件的可获得性减小。RoHS和锡铅元件供应链的变化是元件重新镀锡市场的主要驱动力。全球性的锡铅与无铅元件变化趋势见表1。

ACE 160824A较常见的可靠性问题表明,如冲击、振动和热循环,在大多数情况下,无铅焊料已被认为是具有至少与锡铅同样的可靠性。但在某些高可靠性、高应力环境下例外,我们业界的许多人仍然在试图了解完整的可靠性问题。例如,过渡到无铅焊料,军事和航空航天电子制造商提出了问题,其中一个主要问题就是锡晶须。铅是减轻锡晶须形成的最好解决方法,即使质量分数低至1%或2%。

在高可靠性应用中,对锡铅焊端涂饰元件的依赖是全球元件重新镀锡市场背后的驱动力之一,估计的全球元件焊端重新镀锡市场细分见表2。

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