Leiterplattentechnisch - Faktoren, die die bleifreie Verbindung von Leiterplatten bestimmen

Mit immer mehr bleifreien elektronischen Leiterplattenprodukten auf dem Markt sind Zuverlässigkeitsfragen in den Fokus vieler Menschen gerückt. Im Gegensatz zu anderen bleifreien Themen (wie Legierungsauswahl, Prozessfenster usw.) hören wir oft sehr unterschiedliche Ansichten zur Zuverlässigkeit. Am Anfang hörten wir viele "Experten" sagen, bleifrei sei zuverlässiger als bleifrei. Gerade als wir glaubten, dass es wahr ist, sagte ein anderer "Experte", dass Zinn-Blei zuverlässiger ist als bleifrei. Welchem sollen wir glauben? Das hängt von der konkreten Situation ab.

Die Zuverlässigkeit der bleifreien Leiterplattenverbindung ist ein sehr komplexes Problem, das von vielen Faktoren abhängt. Wir zählen einfach die folgenden sieben Faktoren auf:

1) Hängt von der Schweißlegierung ab. Beim Reflow-Löten ist die bleifreie Leiterplattenlegierung Sn-Ag-Cu (SAC), während Wellenlöten SAC oder Sn-Cu sein kann. SAC-Legierung und Sn-Cu-Legierung haben unterschiedliche Zuverlässigkeitseigenschaften.

2) Abhängig von den Prozessbedingungen. Bei großen und komplexen Leiterplatten beträgt die Löttemperatur normalerweise 260°C, was sich negativ auf die Zuverlässigkeit von Leiterplattenkomponenten auswirken kann, aber sie hat weniger Auswirkungen auf kleine Leiterplatten, da die maximale Reflow-Löttemperatur relativ niedrig sein kann.

3) Hängt vom PCB-Laminatmaterial ab. Bestimmte Leiterplatten (besonders große und komplexe dicke Leiterplatten) können aufgrund der höheren bleifreien Löttemperatur der Leiterplatte aufgrund der Eigenschaften des Laminatmaterials Delamination, Laminatrisse, Cu-Risse, CAF (leitende Anodendraht-Schnurrhaare) verursachen. Die Rate von Ausfällen wie Ausfällen ist gestiegen. Es hängt auch von der Oberflächenbeschichtung der Leiterplatte ab. Zum Beispiel wurde nach Beobachtung festgestellt, dass die Verbindung zwischen Schweißen und Ni-Schicht (aus ENIG-Beschichtung) anfälliger für Bruch ist als die Verbindung zwischen Schweißen und Cu (wie OSP und Immersionssilber), insbesondere unter mechanischer Einwirkung (wie in einem Falltest).). Darüber hinaus verursacht im Falltest das bleifreie Löten von Leiterplatten mehr PCB-Risse.

4) Es hängt von den Komponenten ab. Bestimmte Komponenten, wie Kunststoffverpackungen, Elektrolytkondensatoren usw., sind von der erhöhten Löttemperatur stärker betroffen als andere Faktoren. Zweitens ist Zinndraht ein weiteres Zuverlässigkeitsproblem, das Feinteilkomponenten in High-End-Produkten mit langer Lebensdauer mehr Aufmerksamkeit schenkt. Darüber hinaus wird der hohe Modul von SAC-Legierungen auch größeren Druck auf Komponenten ausüben und Probleme für Bauteile mit niedrigen K-Dielektrizitätskoeffizienten verursachen, die normalerweise anfälliger für Ausfall sind.

5) Hängt von den mechanischen Belastungsbedingungen ab. Die hohe Spannungsempfindlichkeit der SAC-Legierung erfordert mehr Aufmerksamkeit auf die Zuverlässigkeit der bleifreien Leiterplattenlötenschnittstelle unter mechanischer Einwirkung (wie Tropfen, Biegen usw.). Bei hoher Spannungsrate führt übermäßige Spannung zu einer einfachen Lötverbindung (und/oder Leiterplatte). Bruch.

6) Abhängig von den thermomechanischen Belastungsbedingungen. Unter thermischen Zyklenbedingungen kann die Kriech-Ermüdungs-Wechselwirkung zu Lötstellenversagen durch Schadensakkumulationseffekte führen (dh, Strukturgröbung/Schwächung, Rissbild und Ausdehnung), und die Kriechspannungsrate ist ein wichtiger Faktor. Die Kriechspannungsrate variiert mit der Größe der thermomechanischen Belastung der Lötstellen, so dass SAC-Lötstellen unter "relativ milden" Bedingungen mehr Wärmezyklen als Sn-Pb-Lötstellen standhalten können, aber unter "härteren" Bedingungen Niedrigere als Sn-Pb-Lötstellen halten weniger Wärmezyklen stand. Die thermomechanische Belastung hängt vom Temperaturbereich, der Größe des Bauteils und dem Grad der CTE-Abweichung zwischen Bauteil und Substrat ab.

Beispielsweise gibt es einen Bericht, der zeigt, dass auf derselben Platine, die den thermischen Zyklustest bestanden hat, die Bauteile mit Cu-Bleirahmen in den SAC-Lötstellen mehr thermische Zyklen durchlaufen als die Sn-Pb-Lötstellen und 42-Legierungsleitungen verwendet werden. Die Komponenten des Rahmens (die CTE-Mismatch der Leiterplatte ist höher) versagen früher in den SAC-Legierungslötstellen als die Sn-Pb-Lötstellen. Auch auf derselben Platine übersteigt die Anzahl der thermischen Zyklen, die die Lötstellen von 0402-Keramikschipgeräten in SAC durchlaufen, die Anzahl der thermischen Zyklen von Sn-Pb, während die Anzahl der thermischen Zyklen für 2512-Komponenten das Gegenteil ist. Um ein anderes Beispiel zu nennen, behaupten viele Berichte, dass die Lötstellen von 1206 keramischen Widerständen auf FR4 beim bleifreien Leiterplattenlöten später als Sn-Pb während des thermischen Zyklus zwischen 0°C und 100°C versagen. Wenn die Grenzwerte -40°C und 150°C sind, ist dieser Trend genau das Gegenteil.

7) Hängt vom "Beschleunigungsfaktor" ab. Dies ist auch ein interessanter und sehr eng verwandter Faktor, aber es wird die ganze Diskussion viel komplizierter machen, weil verschiedene Legierungen (wie SAC und Sn-Pb) unterschiedliche Beschleunigungskoeffizienten haben. Daher hängt die Zuverlässigkeit der bleifreien Leiterplattenverbindung von vielen Faktoren ab.