一、电子产品可靠性概念
  1．可靠性定义可靠性是指产品在规定的时间内，在规定的条件下，完成规定任务的概率和可能性。电子产品和系统是在一定的应用条件下、一定使用时间内发挥作用。各种产品的应用条

件各不相同，如空调主要是温湿度的影响，而冲击的变化不大；汽车电子，不仅温湿度变化很大，而且震动很大，机械冲击也很大。各种电子产品的使用寿命要求也不一样，如手机，寿命1－3 年；而汽车电子、通讯设备的寿命要求很高。所以在特定条件下，在特定时间范围内，我们希望产品的失效不能超过某一个程度，完成产品所能完成任务的概率或可能性就是产品的可靠性。可靠性是和相应的载荷、使用环境、应用周期有关。
电子产品是由各部件互连组成，其中最重要的是PCB 组装连接，连接的失效也是一个概率问题，它设涉及到焊点、PCB、元件失效的概率。除此之外，PCB 的装配还涉及到电化学失效概率。PCB 组装连接可靠性对产品的可靠性起着至关重要的作用，称为板级产品的可靠性。它涉及的问题主要是焊点、PCB、元件以及电化学可靠性。
  2． 载荷条件可靠性是相对于一定载荷条件的概率。所以可靠性一定是指在某种载荷条件的可靠性。载荷条件是指任何条件加入系统上，使系统的性能恶化或影响可靠性的条件，都是载荷

条件。载荷是一个广义的载荷，不光只是热冲击、热循环。系统在很多情况下所受到的是机械载荷，但又并不xx是机械载荷，它还包括温度、湿度、电压、电流等条件，在这些条件下，也会造成产品的失效，也是一种载荷。所以载荷要广义的理解。
机械载荷是电子产品常受到的载荷，它又分为周期性载荷和冲击性机械载荷；周期性载荷也有低周期载荷和高周期载荷之分。  低周期载荷
计算机开机、关机冷热周期性变化、汽车电子周围环境的变化都属于周期性载荷，也称热机械载荷。高低温热循环试验就是模仿实际应用中的热机械载荷，来分析焊点的失效原因。焊点产生失效的主要原因是PCB 与安装元件两者的热膨胀系数不匹配造成。例如PCB 焊盘上安装陶瓷片状电阻，两种材料的热膨胀系数分别为：陶瓷3－5ppm /℃，PCB 16－25ppm / ℃。陶瓷和PCB 材料比较硬，而焊料较软。当温度从0 度上升到100 度，PCB 以16－25 的速率膨胀，而陶瓷膨胀速率很慢，使焊点处入受拉状态；当温度从100 度下降到0 度时，相反程度发展，焊点受到周期性的剪切应力应变，当循环达到1000－6000 次时，焊点出现力学的疲劳裂纹。由于在循环次数不高的情况下发生疲劳失效，称作低周疲劳。
出现低周疲劳另一个原因是，当焊点的工作温度（以K 式温度计算）占熔点的80％－90％时，材料内部的变化处于热敏期间，温度升高以后晶粒长大，应力应变也会促使晶粒长大，焊点的机械性能下降。当晶粒粗化、软化后出现小的裂纹，周期性载荷使裂纹扩展，xx在循环周数不高的情况下整个焊点失效。焊点在一个很残酷的应用条件下工作，如环境条件150 ℃，比较接近焊料的熔点（183 ℃、217℃），常发生低周疲劳失效。高周期载荷
电子产品除了受到低周载荷外，还会受到周期性弯曲载荷、周期性的震动等，由于没有温度的作用，都称周期性机械载荷。由于它能达到上万次循环才使产品失效，所以称高周期载荷。比如按压键盘的次数可以做到100 万次。每次都是一个疲劳过程。每次按下都没有超过它的机械强度，但按了很多次后，产品疲劳失效。冲击性载荷
有些产品如手机意外跌落会受到载荷冲击；有些板做ITC 时，会对PCB 施加一定的力，这些力使印制板受到损坏。这些载荷是非周期性的，称作冲击载荷。
  3．电子产品失效方式

电子产品失效方式主要有裂纹、断裂、电性能失效等。在机械载荷条件下，疲劳失效以裂纹的产生和扩大方式。冲击性载荷会以脆性断裂的失效方式，应力比较集中造成，界面比较明显。电化学载荷以电迁移和晶枝的生长而失效。
二、焊点可靠性
两个主要因素影响焊点的可靠性，第一焊点本身的特征；第二加载到焊点上的载荷条件。焊点的可靠性取决于焊点上所受应力的程度。
  1． 焊点本身的特征

焊点本身的特性与下列因素有关：焊料合金成分/微观结构、焊料与元件端头及焊盘连接、焊点的形状与大小、焊点中的空洞。焊料合金成分以及微观结构
不同成分的合金材料，由于熔点的不同，所受热应力不同；表面张力不同，导致润湿性不同；热膨胀系数的不同，如焊料与引脚材料的热膨胀系数存在差异，导致焊料与界面、焊点的应力差异；这些都会影响焊点可靠性。另外，不同金属材料受电化学的影响程度会不一样，有些会很敏感，有些不敏感，对焊点可靠性也会产生影响。
使用的焊料、焊膏材料不同对于焊点机械性能的影响是不同的。常用的SnAgCu 焊料，其中Ag 的作用是：添加一定量的Ag，形成细小晶粒Ag3Sn，对合金的机械性能改善很大，添加到3.5wt ％的Ag 时，SnAg 焊料的屈服强度和拉伸强度达到xx。但添加Ag 含量超过4％，在焊料中会生成Ag3Sn 的大板块结构（如图1），热疲劳中，裂纹会在板块和焊料的交界面形成并扩展，造成可靠性的降低。SnAg 焊料中加入Cu 不仅维持SnAg 焊料良好的合金性能，同时降低了熔点。所以推荐使用Sn3Ag0.5Cu 的焊料。
另一种波峰焊接材料SnCu（如共晶Sn0.75Cu ）系，其高温保持性能和热疲劳等可靠性比SnAg 系差，原因是SnCu 在高温下（如100℃），微细共晶组织（Sn5Cu6 微细颗粒＋Sn） 会转变成分散的Sn5Cu6 粗大组织，导致可靠性降低。添加微量的Ag、Ni，材料成分发生细微变化，但机械性能及可靠性发生很大变化。如在SnCu 合金中添加0.1% 的Ag，塑性提高50％。
合金焊料的微观结构也会影响焊点的可靠性。如锡的各向异性对热疲劳失效起着非常关键作用。无铅合金是高含锡材料，β-Sn 具有很高的各向异性性，如96.5Sn-3.5Ag 的a/c=0.56 （见图2）。锡的各向异性特性可以用取向图像显微镜(OIM：Orientation Image Microscopy) 验证。由于相邻锡晶粒之间的取向不同，将会引起内应力，在热疲劳作用下，xx正应力使焊点产生表面拱起，xx剪应力使晶界滑移和分离等变形。

原文图片，详见可靠性论坛 http://www.kekaoxing.com/club/thread-13758-1-1.html
图1 .Ag 含量过多生成大板块的Ag3Sn 图2。β-Sn 的各向异性
  焊点与焊盘、元件端头界面的结合形式
在焊接过程中，焊料与元件端头、PCB 表面发生润湿、扩散等反应，形成金属间化合物界面（IMC）。界面的形态对连接的可靠性影响很大，无论是界面结合层的成分还是厚度都会有影响。由于金属间化合物比较脆，与元件端头材料、PCB 表面材料的热膨胀系数差别很大，结合层很厚情况下，容易龟裂，因此掌握界面结合层的形成及长大机理，对确保可靠性非常重要。
如果是Cu 基材（如PCB 上涂覆OSP）与SnAgCu 焊料发生反应，则界面是Sn5Cu6； SnCu3 两层结构，SnCu3 很薄，厚度小于1µm，在电镜下有时观察不到（如图3），只有Sn5Cu6 结构。金属间化合物层的生长速率取决于原子在化合物中的扩散速度和界面生成化合物的反应速度两个因素。由于SnAgCu 焊料与Cu 在时效过程中的反应较缓慢，Sn5Cu6 的金属间化合物生长缓慢，焊点能保持较高的剪切强度。

如果是Ni 基材上涂覆Au 或Sn，如ENIG 的PCB 或片式陶瓷元件的端头镀Ni/ Sn， SnAgCu 焊料与PCB、元件端头的表面发生反应，金、Sn 溶进焊料，这时的界面是Ni3Sn4 的界面；一般Ni 阻档层并不是纯Ni 层，通常为Ni-P 层。如果Ni-P 层较薄，Ni 从镀层向焊锡一侧扩散，形成Ni3Sn4，这样Ni-P 中的Ni 欠缺，P 剩余，形成富P 的Ni.层。Ni3Sn4 与富P 的Ni 层界面附近容易形成克根达耳（kirkendall ）空洞，即由于扩散速率的不同所产生的，通常情况下这种空洞不能被X-ray 检测到，可以用SEM 观察到。这些空洞附近连接强度降低，因此容易发生连接不良或性能劣化，使可靠性降低。见图4。
当无铅焊料直接与AgPd 表面反应时，也会产生形状和可靠性很差的焊点。
所以在进行焊接工艺时，首先分析焊接材料、元件端头的材料以及PCB 表面的涂覆材料，采用相关焊接工艺，得出焊接后结合层的成分和厚度，这样才能对所采用的工艺是否正确做到心中有数。
结合层的厚度，一般0.5-2.5µm 比较好，这是通常的工艺控制区域（见图5），因为要考虑返修留有一定的空间。同时也要考虑产品的使用要求不同，对结合层要求也会有所不同。比如，单面焊接的板，结合层可以稍厚，因为后道工序PCB 不再受热，结合层不会增加；而双面焊接的板，要考虑经受2 次高温后焊点的结合层满足强度要求，结合层厚度就要通过工艺参数严格控制。

原文图片，详见可靠性论坛 http://www.kekaoxing.com/club/thread-13758-1-1.html
图5.IMC 的工艺控制区图6.BGA 焊点常发生失效的部位
  焊点的形状与大小
焊点的形状与大小决定了焊点上的应力应变分布。如BGA 的焊球，应力通常集中在焊球与芯片的界面，所以失效裂纹常发生在这些地方（见图6）。焊点的高度也会影响应力分布，焊点越高应力分布越小。又如CBGA 上陶瓷载体与PCB 的CTE 不匹配造成焊球上承载高应力，CCGA 由于立柱在热膨胀时有一定的变形能力，缓解了焊点上的应力集中，可靠性能力较高。空洞
空洞在焊点中经常见到，很容易被普通的X-ray 检测到。它产生的原因主要有以下几个方面：
第一， 在回流过程中，焊膏中的助焊剂及溶剂气体本来就不容易从融化的液态焊料中跑出去，因而在焊点中形成空洞。另外，回流焊中由于助焊剂的排气作用，使气体进入焊料中，如无铅焊膏中的焊剂进入有铅BGA 焊球中，当焊料冷却时，形成焊点空洞。加之温度曲线设定不合理，锡膏中助焊剂没挥发掉，也会加重空洞的形成（）。
第二，波峰焊、回流焊、手工焊过程中，焊点中也会进入空气形成空洞。 第三，焊点固化过程中由于焊料收缩而形成空洞。 第四，PCB板和基材对空洞的形成也产生影响。 电路板的设计也是形成空洞的一个主要原因。例如，焊盘中设计过孔，在焊接的过程中，
外界的空气通过过孔进入熔溶状态的焊球，焊接完成冷却后焊球中就会留下空洞。
多层板微盲孔也会使焊点空洞增加。因为，对于没有堵孔的微盲孔，锡膏无法全部填满而存在有空气，在回流焊中空气膨胀进入锡球形成空洞。BGA 焊点中，常发现空洞机率最多的位置是芯片载体的PCB 与ＢＧＡ之间的部分（见图7）。
焊盘的镀层不好或焊盘表面有污染都可能是在焊料与焊盘间出现空洞的原因（见图8）。由于无铅焊料的表面张力比铅锡焊料大，具有较高的聚合力，在焊点结晶时可能出现非共晶组织，在高温下更容易氧化，所以无铅焊接更容易出现气孔。是焊接中常见的问题（见图9）。

图7. BGA 发生空洞几率最多处图8.焊料与PCB 界面的空洞图9. 无铅焊点的空洞是常见问题
空洞的大小和位置会影响焊点的可靠性。空洞在界面上，会造成局部过热，或可能增强应力和应变，因此可以减少焊点的结构完整性，降低了焊点的可靠性；然而，空洞在焊点里面，如果恰好在裂缝的顶点处，而且应力集中在空洞的周围，这些空洞不足够大来产生新的裂缝，那样就会有助于减少裂缝。
IPC7095 中对BGA 焊点上空洞的接收／拒收作了规定。标准主要考虑两点：空洞的位置及尺寸。空洞不论是存在于什么位置，是在焊料球中间、焊盘层（靠近PCB 界面）或组件层（靠近IC 界面），视空洞尺寸及数量不同都会造成质量和可靠性的影响。焊球内部允许有小尺寸的焊球存在。空洞所占空间与焊球空间的比例可以按如下方法计算：例如空洞的直径是焊球直径的５０％，那么空洞所占的面积是焊球的面积的２５％。ＩＰＣ标准规定的接收标准为：焊盘层的空洞不能大于１０％的焊球面积，也即空洞的直径不能超过３０％的焊球直径。当焊盘层空洞的面积超过焊球面积的２５％时，就视为一种缺陷，这时空洞的存在会对焊点的机械或电的可靠性造成隐患。在焊盘层空洞的面积在１０％～２５％的焊球面积时，
应着力改进工艺，xx或减少空洞。
表1 IPC7095 对BGA 焊点上空洞的规定
孔洞的位置   1 级  2 级   3 级
焊球中的空洞      
% 直径   60%   45%   30%
% 面积   36%   20%   9%
焊球与基板界面      
% 直径   50%   25%   20%
% 面积   25%   12%   4%
2． 焊点上的载荷条件     

施加到焊点上的载荷条件不同，如热机械载荷、机械冲击载荷，对焊点的可靠性影响也不同，也就是说焊点上所受应力的程度不同。
焊点在受热机械载荷时，其上的应力又由循环条件如温度高低、温差的大小以及在高温和低温停留时间的长短等决定；同时还有其它因素，如CET 是否匹配、元件尺寸、应力率等的影响。其中CTE、温度、器件的大小这三个主要的因素决定焊点的应力与大小。热机械载荷对焊点的影响
矩形元件的焊点在热机械载荷下常发生的失效，失效位置不是在PCB 与焊料的IMC 界面，而是位于IMC 附近的焊料中（见图10）。导致热疲劳失效的各种影响因素有：蠕变/应力松弛、时效、各温度极限停留时间的长短、拉/压双向应力、锡元素的各向异性。

图10. 焊点的热机械失效在IMC 附近的焊料中图11. 蠕变疲劳失效
蠕变是热疲劳温度曲线中温度极限停留时间下，应变控制的疲劳。当材料加上净载，随着时间的变化，在一定温度条件下的变形情况，即应变控制行为。蠕变的结果是焊点出现剪切带、晶界滑移现象（见图11）。所以蠕变对焊点失效有一定的影响。
时效是焊接完成后，将焊点放在炉内一段时间，在一定温度下，焊点的结构发生变化，主要是导致金属间化合物的形成并长大（见图12、图13），使焊点强度减少。因此在热疲劳温度曲线的高温极限停留阶段是对IMC 的生长起关键作用，这对于那些需要做高低温循环测试的产品特别引起注意，尤其是军品或高可靠性产品。在SMT 工艺中，焊接参数的设置需要足够重视，焊接温度和时间不能使产品的结合层做到上限的厚度，一旦经过高温老化，又会增加结合层的厚度，导致焊点强度减弱，使焊点失效。时效对热循环失效并不起主要的作用，因为焊点的失效裂纹主要发生在靠近金属间化合物附近的焊料中，不在金属间化合物层上。长大的金属间化合物对焊点的抗拉强度有影响，对热疲劳失效影响不大。

图11。时效前 (共晶Sn-Ag) 图12。时效后(180oC, 1400 小时)
长时间在低温极限停留，焊点表面会产生失效损伤，晶粒之间有滑移损伤，力学性能降低，强度降低很大。由于高温愈合效果，长时间在高温极限停留，焊点表面无明显损伤。实际环境温度的变化使焊点受到拉/压双向应力，这是影响焊点热机械疲劳失效的重要影响因素。这在后面会有案例分析。

3．无铅SAC 焊点与有铅Sn/Pb 焊点可靠性比较

曾经流行一种说法，无铅比有铅更可靠，热循环次数比较高。但经过多次试验发现，无铅与有铅可靠性的比较，取决于器件的形状、类型和热循环的条件，不能简单地回答哪个可靠性更好。世界各大公司和组织纷纷进行了无铅可靠性分析实验，部分结果如下：
案例1：某EMS 企业对1206 元件在FR4 板上，做0－100 ℃热循环试验，SnAgCu 和SnPb 失效的周数差不多，无铅、锡铅可靠性相当。用－55℃－125 ℃的严酷试验条件下，无铅的可靠性不如Sn/Pb。
案例2：大的片状电阻2512 进行试验，实验条件－55℃－125 ℃，用于汽车发动机电路控制板，无铅200 周就失效，有铅到上千周没发现失效。无铅可靠性没有锡铅好。
案例3：某大型飞机制造公司对1206 、LCCC、BGA、CSP 进行实验。结果是BGA、CSP 无铅可以通过更多的热循环周，而1206 、LCCC、有铅可以通过更多的周。
案例4：IPC 报告，在热循环温度0－100 ℃条件下， FLIPCHIP 锡铅焊料可靠性高，而CSP8、BGA 无铅焊料可靠性高。
从焊点所受的载荷分析以上实验结果。焊点在不同载荷条件下，无铅与锡铅焊料蠕变不同，SnAgCu 在高载荷情况下蠕变更快，在低载荷下蠕变慢；而有铅焊点在低载荷情况下，蠕变更快，导致无铅和有铅焊点可靠性的不同。
焊点上产生的载荷受温差、CTE 不匹配以及元件尺寸大小三个方面的影响。不同的高低温试验条件，如热循环从0－100 ℃和－50－150 ℃，焊点上温差不同；又因为PCB 的Tg、CTE 不同以及焊料合金成分的不同等，造成焊点上的载荷不一样，焊点的蠕变和疲劳也不相同。在大多数应用情况下，产品都处于0－100℃的环境温度情况。焊点上的载荷相对较低，无铅比有铅可靠；但是汽车电子、军事产品，工作温度常在－50－150℃情况，温差更大，恶劣温度条件使焊点承受的载荷很大，可靠性会反过来。
CTE 不匹配是造成焊点承受过大应力的关键。QFP 、CSP8、BGA 以及小器件由于CTE 与PCB 的CTE 差别不大，焊点上载荷应力很小，焊点的应力处于低应力状态。SnAgCu 蠕变没有锡铅快，在热循环试验中，SnAgCu 可以承受更多的热循环周。所以只是在低载荷、低应力、热膨胀系数CET 相差不大的情况，无铅焊料的可靠性比有铅可靠性高。在有些情况下，如CTE 相差很多，温度分为很广（如－45℃-125℃），器件很大，焊点处于高应力状态，SnAgCu 蠕变比锡铅快，在热循环试验中，SnAgCu 焊点在很少的热循环周后失效，无铅焊料的可靠性没有铅锡焊料可靠性高。如裸露的硅直接安装到PCB 上的FLIP CHIP 、片状陶瓷电容、42 号合金等，这些元件的CET 与PCB 的CET 差别很大，加上热循环的温差大，SAC 的可靠性不如Sn/Pb。
总之：低载荷情况下，有铅蠕变更快，无铅蠕变更慢，无铅可靠性高，大部分情况如此。高载荷情况下，无铅蠕变更快，有铅蠕变更慢，有铅可靠性高。但有一个值得注意，跌落试验时，有铅和无铅的结果是互相矛盾的。
三、电化学可靠性
电化学是研究电和化学反应相互关系的科学。电和化学反应相互作用可通过电池来完成。电池由两个电极和电极之间的电解质构成。所以电化学形成的三个必要条件是：导体、电位差、电解液。在这三种条件存在下，电解液中的离子会在电位差的作用下发生迁移，从阳极向阴极移动并沉积，以枝晶方式生长。枝晶生长的结果导致两电极短路。不同金属导体受电化学影响程度会不一样，有些很敏感如Cu，有些不敏感。
PCB 上的电路，由很多导线构成，这些导线之间均有电位差异，这些电压差就形成阴极和阳极，另外我们加工的PCB 板上通常有焊剂残留物、灰尘导电物质等，他们是有一定的活性的，当PCB 在潮湿的环境下，板上有水分子沉积时（如高湿条件下水分的沉积），焊剂残留融化在水中，水和助焊剂残留物就成了电解质，导线上的Cu 在电解液中变成带正电的Cu 离子，它们向负电位（阴极）跑去，与阴极的电子形成Cu 原子沉积在阴极端，这样以树枝的形状从阴极向阳极生长，xx导致短路，产生产品的失效。这就是电子产品中的电迁移现象（见图13），它受到PCB 上的电位差、潮湿程度以及溶剂中离子的浓度三个方面的影响。

很多电路特别是高性能、高频电路，并不等到两根导线之间短路才发生故障，而是对两者之间的表面绝缘电阻SIR 很敏感。很多电路在长枝晶之前就失效，原因就是由于电阻发生了变化。所以高性能、高频电路，对SIR 的要求非常严格，通常100MΩ（10×108）以上。表面绝缘电阻的测量按照IPC-TM-650 2.6.3.3 标准进行。目前我们通常采用免清洗工艺，对电迁移现象需要引起足够的重视。免清洗工艺大部分失效都是电迁移失效，是SIR 的问题，特别是焊剂残留物的影响。
同一块PCB 上如果存在使用焊膏、焊剂、焊丝的情况下，辅料相容性的问题是电化学可靠性必须考虑的问题。焊膏中的焊剂，手工焊接中焊丝的焊剂以及涂覆的助焊剂、波峰焊接的焊剂均要求相兼容。PCB 上的各种残留物，其化学成分、活性是否相同，是否具有吸潮性，是否需要清洗等都需要考虑。松香型的、水溶性的、免清洗型的不能混用。如果混用，必须测量表面绝缘电阻。

对于无铅焊接而言，由于焊剂的活性更高，残留在PCB 上的危害更大。温度也会使残留物的化学成分发生变化，更应该引起关注。图13。Cu 原子以枝晶方式生长造成产品失效

四、PCB 可靠性
无铅焊接的高温下，产生了很多的失效，焊后马上发现的问题和焊接几年之后才发现的问题都影响可靠性，如何选好PCB 材料成为关键，要考虑多种材料因素。
无铅PCB 的可靠性，主要反映在PCB 的板材和表面处理两大方面。PCB 板材要求主要在四个参数考虑：Tg、CTE、Td、T288 。PCB 的表面处理的可靠性主要在ENIG 的黑盘问题和Au 镀层厚度问题。
  1.玻璃化转变温度Tg （Glass Transition Temperature）

聚合物在某一定温度条件下，基材结构发生变化，在这个温度之下，基材又硬又脆，称玻璃态；在这个温度之上，基材变软，机械强度明显变低，称橡胶态或皮革态。这种决定材料性能的临界温度称作玻璃化转变温度。聚合物一般是由有机材料合成，大多数层压板（除陶瓷基板外），都含有聚合物，所以一般的覆铜箔层压板都具有Tg 这一固有特性。
进入无铅化时代，由于焊接温度的提高，必然对板材耐热性提出更高的要求。Tg 是选择PCB 的重要参数，Tg 越高越好。IPC 最近发布的第二份“无铅”FR-4 的标准草案提出，玻璃化温度(Tg)建议在155 ℃以上。
  2．热膨胀系数CTE（Coefficient of thermal Expansion）

热膨胀系数是指环境温度每升高1℃，单位长度的材料所伸长的长度。单位为ppm/℃；CTE 定量描述材料受热后膨胀的程度。几种与PCB 相关材料的CTE 如表2： 从表2 可以看出，CTE 不仅在XY 方向需要考虑，特别是考虑Z 方向的CTE 不匹配问题。PCB 的Z 方向有2 种材料，一是PCB 材料，由树脂和玻璃纤维组成，但主要是树脂；二是通孔上的铜。这两种材料的CTE 不同，Cu 的CTE 为16，而树脂、玻璃纤维组成PCB 的CTE，当焊接温度在Tg 以下时和Cu 差不多，但温度达到Tg 以上后，材料的CTE 就达到很高的程度，约80－90 甚至100 ，而我们的回流焊接温度通常在Tg 以上，特别是无铅焊接时，焊接温度超过217 度以上，肯定大大超过了PCB 的Tg，这时，Z 方向会以非常快的速度膨胀，而Cu 跟不上它的膨胀速度，Cu 会出现小裂纹，存在失效隐患，也就是说回流焊接中，由于Z 轴方向的CTE 不匹配，会在通孔中产生小裂纹。见图14。这些裂纹在产品生产完成后，做针床在线测没有问题，功能测也没有问题，但当产品投放市场之后或进行热循环试验时，裂纹会发生扩展，产生Cu 的疲劳失效，即过孔的断裂，这时产品出厂可能几年才会发现问题。这是一个滞后的失效。无铅的温度更高，情况更加剧，有些PCB 就不能承

受这些要求，有可能会产生小裂纹。   
表2。各种常见材料的CTE    
材料  热膨胀系数/   ppm/ ℃
PCB（FR4）X、Y 方向   16－25（ 16 ）
多层PCB 的Z 方向   50－100  
铜箔  16.3  
焊料（63Sn/37Pb）    24－26（ 23）
硅（底部填充料）   2.8（20）  
Al2O3 无引线元件  6.4  
环氧树脂半固化片  13-15  


图14.Z 轴方向CTE 不匹配造成过孔的裂纹图15.树脂与玻璃纤维分离
  3．PCB 的分解温度Td

PCB 板里面有很多铜线，孔与孔之间有电位差，PCB 由树脂和玻璃纤维组成，当树脂和玻璃纤维之间发生分离时，缝隙中有水分存在，加上腐蚀性的物质，会形成电化学反应的条件，造成两孔之间形成电化学反应，最终导致短路，这种失效不是发生在PCB 的表面，是在内部，更为可怕（见图15）。也是滞后的失效。无铅温度更高，分离的情况更为严重，为这种反应提供了更多的机会。所以PCB 板还需考虑PCB 的分解参数Td。
Td 是树脂的物理和化学分解实际温度。当温度超过Td，材料由于化学连接的断裂而损坏，造成不可逆转的降级。Td 定义为PCB 加热到一定温度，其重量变化（减少）5％的温度。相同Tg 的PCB，由于树脂、结构的不同，其Td 也会不同（见图16）。相同FR-4 的材料，它们的Td 分别为320℃和350 ℃。由于无铅焊接温度通常在235℃－245℃，为了将Td具有实际的指导意义，所以目前工业界提出将Td 改为其重量变化（减少）2％的温度。图中的Td 温度就为220℃和260℃。在选择PCB 板材时可以具有参考意义。

图16 两种FR-4 材料具有相同的Tg＝175℃，Td 差异。
  4． PCB 的耐热温度T288

PCB 上还有一个很重要的参数是T288，288 的意思主要是温度在288 ℃时，PCB 在这个温度下能够坚持多久，时间是多少。具体操作是将PCB 加热到288 ℃，用TMA 上的探针，探测多长时间PCB 会保持它的强度，不变形，考察PCB 树脂的分解、玻璃纤维界面的强度等情况。IPC 最近发布的第二份“无铅”FR-4 的标准草案提出，T-288 大于15 分钟。
  5．黑盘问题

PCB 表面的金/镍层在可靠性上有一个致命的问题，那就是黑盘问题。黑盘问题是电化学对ENIG 涂层攻击的结果。Ni 是高自由能，比别的晶界更容易受到腐蚀，造成Ni 晶粒之间、晶界之间发生氧化，当氧化达到一定程度，氧化层发黑，形成黑盘（见图17）。
黑盘严重影响了PCB 的可靠性。焊接过程中，金层中的金全部跑到焊点中去，焊料在Ni 表面润湿，xx焊料和Ni 层形成结合层。当Ni 氧化后形成黑盘时，焊点只是在氧化的Ni 表面附着，Sn/Ni 之间没有形成金属间化合物。PCB 装配后进行板极电性能测试时会通过。随着电化学腐蚀的继续，氧化程度的加深，一旦发生冲击、振动或接触、碰撞等后，焊点就会突然性的失效。

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