如何判断分析锡须风险

  
  目前,已经研制出用来评估锡须引起失效风险的方法和软件.这种方法使用实验数据和Monte Carlo模型来评估锡须带来的风险。由于这个算法纳入了锡须生长的分布数据,是随时间的函数,能够预测随时间变化的动态风险。这种软件为电子行业提供一种实用的方法,用来评估和预测使用纯锡和含锡量很高的无铅合金进行表面处理的产品。 评估风险的方法
  我们根据导电锡须跨过电气绝缘在邻近导体生长(因而造成电流泄漏)的概率,对锡须的风险进行定量评估。这种风险评估算法是根据于晶须生长的特征、产品在出现风险时的几何形状、失效标准和时间。在这个实验中,锡须生长参数包括锡须密度、锡须长度和生长角度。锡须生长角度是指,在生长锡须的镀锡表面,锡须和镀锡表面突出部分之间的角度(图2)。我们把所有生长参数看成是时间的函数,并且根据时间概率[4]建模,然后在24个月内定期测量锡须的生长情况,根据得到的实验数据来确定锡须风险。 几何参数包括相邻导体间的距离和可供使用的导体面积。至少有一个导体是用纯锡或者含锡量很高的材料进行表面处理,才会出现锡须。如果锡须相当长,而且角度刚好可以跨过两个导体之间的距离,就会出现桥接短路。
  在政府法规和市场的共同推动下,全球电子行业已经进入无铅电子时代1,2.未能及时转到无铅电子的公司将为国际市场所淘汰。 为了适应这个趋势,许多电子元件制造商用纯锡和含锡量很高的无铅合金取代铅合金进行表面处理。制造商是根据它们的价格、耐腐蚀性以及它们与含铅焊料和无铅焊料的兼容性作出这个选择的。 使用不含铅的锡进行表面处理的缺点是会形成锡须。锡须是在用锡进行了处理的表面自然形成的,通常呈针状,能导电(图1)。据报导,从1990年开始,在现场因锡须引起的失效已经造成了数百万美元的损失[3].失效引起的主要问题是因锡须桥接引起的电流泄漏和短路。
  在这种情况下,θ是锡须的生长角度,lw是锡须的长度,ls是两个相邻导体间的距离。这个定义也适用于任何形状的表面,不仅限于含铅的导体。在特定时间,我们把由于锡须引起的失效风险PRi定义为失效数量Nf与可能出现失效数量Nop的比值。在这里,Nf代表失效的数量,而Nop表示Monte Carlo模型的样品数量。在一个具体时间的最终风险可以用下列公式来计算:
  我们假设,一旦出现锡须桥接,产品就立刻失效。因此,如果在进行模拟时出现失效,模拟将继续下去,就不会把失效计算两次。如果在一个产品中的元件类型不只一种,那么,假设没有备用元件,这时,由于锡须造成的产品的总风险为:
  其中,j是元件的类型,m表示这种元件的数量,PProduct是因锡须造成产品失效的总风险。 锡须生长参数的数据
  评估印刷电路板上的锡须
  在印刷电路板组装(PCBA)运作当中,可以用这个方法来评估锡须的风险。使用的电路板是六层的,它的所有元件都安装在最上面和最下面的两层上。它总共有3个QFP、3个SOIC、18个SOT、9个二极管、117个电阻器、43个电容器。在工业环境下,这个产品的使用年限至少必须达到二十年。
  在这项研究中,供我们分析的两个导体包括每个元件相邻的端子(引脚)和相互间非常接近元件的端子。使用相邻导体之间的最短距离来进行模拟。用来进行评估的两个导体的面积,包括引脚侧面的表面面积和顶部的表面面积。评估印刷电路板上的锡须
  在印刷电路板组装(PCBA)运作当中,可以用这个方法来评估锡须的风险。使用的电路板是六层的,它的所有元件都安装在最上面和最下面的两层上。它总共有3个QFP、3个SOIC、18个SOT、9个二极管、117个电阻器、43个电容器。在工业环境下,这个产品的使用年限至少必须达到二十年。 在这项研究中,供我们分析的两个导体包括每个元件相邻的端子(引脚)和相互间非常接近元件的端子。使用相邻导体之间的最短距离来进行模拟。用来进行评估的两个导体的面积,包括引脚侧面的表面面积和顶部的表面面积。 结论
  由于不知道引脚实际的表面处理,而又有这方面的长期测试数据,因此针对铜上面的雾锡进行评估。雾锡表面处理没有内层涂层或者经过退火处理,因此可以得到一个保守的风险评估。我们可以按五年、十年和二十年的时间计算出由锡须造成的失效风险。 在这个例子中,所有元件的铜引脚表面上都涂有雾锡,在十五年的时间里,锡须失效风险为0.05% ,在二十年里,这个数字提高到4%.如果要达到二十年的使用要求,建议在印刷电路板表面上进行涂敷,从而降低QFP、SOIC和SOT等元件引脚出现锡须失效的风险。
  为了通过实验得到锡须生长的数据,我们监测在铜上面的雾锡样本以获得锡须的长度和密度等参数。在完成电镀的一周后,把这些样本送到150℃的高温下退火一小时,然后再把它们送到温度及湿度控制箱里,在温度60℃和相对湿度(RH)95%的条件下进行两星期的老化处理。最后,再把样本送到一个房间里存放十八个月,在此期间定时收集周围环境、锡须长度和锡须密度等数据。并且根据JEDEC锡须测试的要求[5]来选择实验地点,监测锡须的生长,同时收集建立标准化数据库所需要的数据。锡须长度的数据符合正态分布,锡须密度数据也呈正态分布。我们可以根据这个数据来确定平均长度和密度的生长速度。 锡须生长角 的数据在四个角度范围内呈均匀分布,这四个角度范围是:0°至20°、20°至40°、40°至60°、60°至90°,它们的概率分别为0.071、0.146、0.244和0.539.经过十八个月以上时间的观察,测试数据表明锡须的生长角度与时间无关,随着时间的推移,平均生长长度和平均生长密度的变化越来越小。根据长度和密度的数据以及生长趋势,可以推断出在更长时间内锡须的生长情况。 图2 在明亮的镀锡表面上的针形锡须。图2 在明亮的镀锡表面上的针形锡须。

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