IPC焊料產(chǎn)品價值協(xié)會（SPVC）通過一項可靠性研究來確定在裝配、金相分析和基本特性、熱沖擊和溫度循環(huán)中，無鉛合金中的各種錫銀銅（SAC）合金的性能是否相當。SPVC的結(jié)論是三種SAC合金的性能相差不多，建議把SAC 305作為電子行業(yè)首選的無鉛合金。這項研究的另一個結(jié)果是，在對使用SAC無鉛焊膏的測試板進行分析時，檢查出有空洞。在測試電路板上把空洞標了出來，但沒有對它進行修補，在這種情況下，讓測試電路板經(jīng)受熱沖擊和溫度循環(huán)?？斩匆步?jīng)歷了熱沖擊和溫度循環(huán)，SPVC還對焊點中空洞進行比較。
關(guān)于焊點的爭論
電子制造行業(yè)公認的是，通常在x光照片中看到的空洞，可能是把焊點劃作不合格的一個因素：特別是當空洞的大小超過焊點的25%時──尤其是在BGA里出現(xiàn)空洞的情況下。
對于焊點中的空洞，電子裝配業(yè)一直存在爭議。隨著向無鉛的轉(zhuǎn)變，爭議越來越激烈。原因是無鉛焊點比錫鉛焊料更容易形成空洞；而且在SAC合金中，空洞的百分比要比其他無鉛合金高。
測試方案
在IPC SPVC測試項目中使用兩種無鉛電路板進行測試：無鉛測試板A*和無鉛測試板B**。這兩種測試板所用的焊膏不是專門挑選的，但使用同樣的助焊劑。這樣?齙牡哪勘曄俏私飧髦趾轄鷸淶牟畋稹Ｎ頤敲揮姓攵院父嘍怨ひ戰(zhàn)杏嘔?
在無鉛測試板A*中，使用三種SAC合金焊膏裝配的所有電路板上都看到空洞，面積超過25%，其中，特別是間距為0.5mm的CSP84無鉛元件。用錫鉛合金裝配的電路板，明顯地存在空洞，但是，用錫鉛合金裝配的間距為0.5mm的CSP84元件上，空洞面積不到25%。
在無鉛測試板B**上，在使用SAC合金裝配的所有電路板上都看到空洞面積超過25%。在電路板上，PBGA196、C-CSP224和晶片級封裝CSP8的空洞幾乎都超過的25%。
為了確定空洞對焊點可靠性的影響，IPC SPVC采用的測試方案包括整個行業(yè)普遍認可的常規(guī)溫度循環(huán)和熱沖擊。對兩組測試板都進行了環(huán)境試驗，在測試期間，對它們的功能進行監(jiān)測。測試板中包括兩家公司的電路板，每家公司的測試板有四組，每組四十塊，分別使用三種SAC焊料合金成分，以及一種低熔點（錫鉛）焊料，以便對比。每組都拿出一塊板來進行破壞性金相分析，這塊試驗板沒有參加溫度循環(huán)研究。
所使用的溫度循環(huán)方案反映了IPC測試方法。這個溫度循環(huán)方案首先在低溫（0℃）保持十分鐘，然后，溫度緩慢上升至100℃，接著在這個高溫下保持十分鐘的時間，然后，漸漸回到低溫狀態(tài)。整個溫度循環(huán)通常大約需要60分鐘。循環(huán)時間與爐溫上升的時間和測試板溫度穩(wěn)定過程有關(guān)。
熱沖擊測試方案和JEDEC規(guī)定的很相似，它先在低溫（-55℃）保持五分鐘的時間，然后在高溫（125℃）保持十分鐘的時間，然后再回到低溫?？偟难h(huán)時間大約在20分鐘左右。這個循環(huán)過程連續(xù)地重復(fù)進行。對兩組測試件的樣品，每組進行了500次溫度循環(huán)就進行金相分析。
測試結(jié)果
在環(huán)境試驗后，這項研究對空洞的X射線分析結(jié)果進行了比較，比較了6000次溫度循環(huán)后的失效情況，熱沖擊，對失效的焊點和正常的焊點都進行金相檢查，并比較金相檢查的結(jié)果。從這些比較，并且用若干不同的統(tǒng)計方法來比較溫度失效數(shù)據(jù)和空洞位置和尺寸，我們可以清楚地看到，空洞不會對焊點的完整性產(chǎn)生任何影響。
在每500次溫度循環(huán)之后，把電路板拿出來，對每塊電路板上的每個元件進行穿透性X射線成像。從這個圖像我們可以看到，在SAC合金焊點中的空洞遠遠比錫鉛合金焊點的多。就數(shù)量和大小而言，CSP84封裝焊點中的空洞比其他陣列封裝焊點的空洞多。使用經(jīng)歷了溫度循環(huán)的封裝的剖面圖對空洞進行比較，我們看不到空洞與連接失效有什幺明顯的關(guān)聯(lián)。例如，在測試板A*的SAC 305焊點的剖面圖上看到大空洞，但是，這并不能說明這些空洞會致使連接失效——雖說這個封裝經(jīng)歷了4500次溫度循環(huán)。
圖1 測試板A上的CSP84封裝的威布爾2-P分布。
在無鉛測試板A*上，對于間距為0.5mm的84個輸入/輸出CPS封裝，溫度循環(huán)引起的蠕變疲勞導致的焊點失效相當多，由此可以得到兩個參數(shù)，即威布爾斜率（β）和特征壽命（η）值。圖1是CSP84封裝失效分布的威布爾圖。威布爾分布說明SAC合金焊點的特征壽命比錫鉛焊點更長（SAC合金為4713到6810次溫度循環(huán)，錫鉛合金是1595次溫度循環(huán)）。然而，在沒有進行監(jiān)測的電路板上，每500次溫度循環(huán)的穿透式X射線圖像和剖面圖表明SAC合金焊點里的空洞比SnPb焊點里的空洞明顯多很多，也大很多。正是由于這點，在進行了6000次溫度循環(huán)后用X射線對每個CSP84封裝進行檢查。我們試圖把空洞和出現(xiàn)失效的溫度循環(huán)次數(shù)關(guān)聯(lián)起來。圖2是威布爾值和η值。這些統(tǒng)計結(jié)果取自24個CSP84封裝和60個CSP84封裝，24個CSP84封裝是IPC SPVC可靠性測試的一部份，60個CSP84封裝是測試板A可靠性測試的一部份。在一個分析中，使用普通的再熔工藝進行裝配的SAC387焊點里有較大的空洞。然而，焊點的特征壽命并不存在特別明顯的差別。
結(jié)論
我們根據(jù)IPC SPVC關(guān)于SAC合金可靠性研究項目所提供的數(shù)據(jù)，來比較SAC連接中的空洞和出現(xiàn)失效的溫度循環(huán)次數(shù)。我們用八種獨立的統(tǒng)計分析方法（盒狀圖、單向ANOM、主要效果圖、矩陣圖等）來比較空洞超出連接面積的25%對應(yīng)的出現(xiàn)失效時的循環(huán)次數(shù)，也比較了空洞總數(shù)對應(yīng)的出現(xiàn)失效的溫度循環(huán)次數(shù)?？斩捶植寂c出現(xiàn)失效循環(huán)次數(shù)的比較結(jié)果表明空洞不會對焊點的可靠性產(chǎn)生影響。
對焊點中空洞的數(shù)量和大小與溫度循環(huán)數(shù)據(jù)中連接失效進行了比較，結(jié)論是：沒有證據(jù)證明這類SAC合金焊點中的空洞會對焊點的可靠性產(chǎn)生影響。
* Solectron公司提供的測試板A：160塊，是六層、厚度為93密耳的印刷電路板，上面有72個元件。
** Flextronics公司提供的測試板：160塊，是雙面印刷電路板，上面有260個元件。
圖2 超過25%的空洞數(shù)量與對應(yīng)的出現(xiàn)失效的溫度循環(huán)次數(shù)面積分布圖。