谈无铅领域的可制造性设计
[发布时间]：2009年5月20日
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【导读】： SMT行业面临的一个新挑战是转向无铅。本文介绍适合无铅产品使用的层压板材料及其可靠性。在选择无铅层压板材料时有两个主要变量起决定作用：焊接无铅层压板材料所用的...
SMT行业面临的一个新挑战是转向无铅。本文介绍适合无铅产品使用的层压板材料及其可靠性。
在选择无铅层压板材料时有两个主要变量起决定作用：焊接无铅层压板材料所用的无铅焊料的熔点温度和再流焊最高温度。无铅焊料的熔点温度决定于它们的成分，一般是在217℃和227℃之间。常见的无铅再流焊的最高温度一般在245℃左右，但是它可以从230℃到255℃至260℃的范围内变化。与锡铅焊料183℃的熔点温度和210℃至220℃的再流焊最高温度相比，温度的提高会影响PCB通孔的可靠性，因此会影响无铅产品相互连接的可靠性。
在锡铅产品中，最受欢迎的PCB 层压板材料是标准的FR-4。然而，无铅焊接的温度提高了，可能会造成热性能下降或者分解，从而改变绝缘材料和它们的特性。FR-4热膨胀增大会牺牲电路板结构的完整性。举个例子，在无铅再流焊最高温度下FR-4Z轴方向膨胀量大于锡铅再流焊最高温度时的膨胀量，可能会引起金属化通孔孔壁镀层开裂、电路板翘曲和脱层。要想减轻这个问题的影响，层压板材料的玻璃转变温度（Tg）必须更高，热膨胀系数（CTE）必须更低，或者在达到玻璃转变温度之前和之后沿Z轴的膨胀更小。玻璃转变温度更高和热膨胀系数更低的层压板能够提高金属化通孔的可靠性。
对无铅而言，需要考虑的层压板材料其他特性有：更高的材料分解温度（Td），在260℃（T260）下的脱层时间。分解温度是用热重分析仪（TGA ）测量材料的重量损失得到的。分解温度是重量损失5%的温度。分解温度较高有利于长期温度瞬变。T260是用热机械分析仪（TMA）测量尺寸变化得到的。T260较高也有利于长期温度瞬变。
在良好的环境中，使用厚度为62密耳或更薄的电路板，也可能在无铅中使用标准的FR。但是，对更厚的电路板和更苛刻的环境来说，可能需要指定使用热膨胀系数更低（低于32%）、玻璃转变温度更高（高于等于170℃）、分解温度更高（大于等于350℃）和T260时间更长（大于等于30分钟）的层压板材料了。
无铅的可靠性因几乎没有实际的现场失效数据，所有无铅可靠性数据都是在实验室得到的。试图把实验室数据与实际的现场失效联系起来是不科学的，最多也只是一个推断。
在刚开始使用无铅时，许多公司决定使用SAC405（银4%/铜0.5%）或者SAC387（银3.8%/铜0.7%）来避免可能的专利侵权。这些材料比较容易出现Ag3Sn微粒，如果它们是在裂缝上，可能会加快焊点失效。这个行业已经确定使用SAC305（银3%/铜0.5%），它比较便宜而且不会出现银锡微粒。
焊点的最终可靠性与封装的引脚和所用的材料有关。对刚性封装来说，例如LCCC、CBGA、电阻器、TSOP和倒装芯片，锡铅焊料之所以优于SAC焊料是因为它具有这些封装所缺乏的韧性。但是对柔性封装来说，SAC和锡铅焊料一样甚至更好，这是因为它不仅强度高，而且韧性也好，两者相辅相成。
不管是锡铅还是无铅，大部分评价可靠性的工作是把重点放在热循环或热冲击上。但是，疲劳（用热循环来测试）和机械冲击（跌落试验）二者都是重要的。
在应变或者挠曲给定的情况下，无铅焊点能承受的力低于锡铅焊点。由于再流焊温度提高了PCB层压板的硬度，使它们变得更脆，这使问题变得更复杂。由于玻璃转变温度Tg较高，无铅层压板材料比标准的FR-4层压材料更硬，而且因为再流焊温度较高，所以它会变得更硬。这使无铅焊点的机械冲击问题复杂化。
考虑到无铅焊料本身的硬度，还有一个焊盘上出现弹坑的问题。因为SAC焊料更硬而且韧性较差，所以在冲击或者跌落试验中，它们的可靠性往往达不到锡铅焊料的一半或三分之一。为了提高耐机械冲击的可靠性，应当使用银含量更低的新合金。还应考虑使用底部填料、在四角的焊球使用粘合剂，增大四角上的焊球，减轻焊盘出现弹坑的问题。
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