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文章摘要：许多年前，无铅还被人当作一时的狂热而丢置一旁。然而事过境迁，许多日本公司已经转向无铅了，许多的欧洲和美国公司也正在过渡中。很多设计管理人员等待着，直到更多的指令的出台，因为他们不愿为了某个执行日期改变和潜在的替代合金改变一样快的指令（WEEE和RoHS），而

关健字:无铅 ROHS
由于许多原因，无铅产品是重要的，有两点最为突出。第一，半导体工业产生的大量的废弃物含有铅，这些材料最终会进入环境中。第二，实际上操作人员经常要在远离排风口的公共区域进行手工焊接（会产生焊料烟雾）。其他大规模的生产－从采矿到SMT焊炉－也会将铅加进环境中。加上环境工作在全世界的推行，转换到无铅显然应该是必须的。

无铅焊接的转换不是长期可靠性的简单确认，也不是温度漂移(材料组)至260℃的简单确认。这种转换是对制造可行性和测试的确认。如果这些基本结果不能达到，那么这种合金就不是一个合适的替代品。如果一种工艺不能生产出产品且保持可控，那么这种工艺就是不可行的。理解无铅是怎样影响到性能表现和工艺控制的，这才是其执行的核心内容。

从富铅材料（PbR）切换到无铅材料时, 失效模式和效果分析(FMEA)应该增加额外的变量。机械角度，无铅材料典型的要比高含铅材料硬。在著作中被引用的、具代表性的数据列出的是一个固体样本（标准的立方体区域和质量）的块体属性。不幸的是，回流后的焊料合金即不是块体状态的也不和初始的合金具有相同的成分。（金，铜，镍，钯和其它金属会污染合金，改变机械系数。） 缺少的是能够对比小球和块状固体机械差别的简便图表；缺少的是当对象是有凸点和无凸点倒装芯片时能显示其差别的图表；也缺少了显示无铅合金机电属性改变的图表。
对凸点和外部环境间接触区域的仔细检查显示出，硬度对插座设计，电气接触（阻抗和接触电阻）以及整个产出有明显的影响。不仅无铅合金是硬的特点，就连表面氧化物/助焊剂残留覆盖物的组合，也能在首次电气接触和接触电阻上产生多种影响。

两种现成的“bga”器件（相同封装，一种含铅量高，另一种不含铅；精确的合金成份与本次试验无关）被用来评价焊料转换的影响。图1和图2示范了一个明显的负荷差别，以证实类似的凸点变形。（变形程度和为形成电气接触而在凸点上所需施加的最小力有直接关系。对于使用锡铅合金的电气接触而言，对变形的选择是典型的。）

如图3和图4所突出的，在目标负荷情况下，含铅量高的器件会比无铅合金器件发生最高可达50%的变形。当负荷移走后，含铅量高的器件会保留比无铅合金器件多达75%的变形。这种现象和高铅焊料的机械属性有关。当比较无凸点类型时，在铜凸点的倒装芯片封装上，这一现象也很显著。改变凸点的化学成份会导致在冶金和机械方面有一连串的改变；很可能是由于铜在焊料中的溶解和合金化。

当我们寻找方法来改进bga安装到插座或倒装芯片安装到探针卡上的寿命，并且去理解怎样的从高铅向无铅的转换才会影响到电气和机械性能时，物理测试是必需的。对于倒装芯片，为确定是否在提高产出的同时能维持更好的工艺控制，电气机械特性的比较分析是必需的。伴随着正确的工具设定（该过程使用改良自CSM仪表的工具），电气接触电阻－也包括确切的首次电气接触及机械持久力－能很容易获得。
在我们的评估中，我们确定了处于确切电气接触和机械变形之间的最佳接触点，以提供更好的工艺控制。数据显示，和回流温度无关，从富铅向无铅的转换，在电气或机械方面都不是一个普通的替换。这一方法也提供了调查者一个早期的机会来评估在焊料凸点的可靠性方面由于测试设备未对准而造成的影响。

电气机械数据提供了工艺/设计FMEA人员在合金选择方法上一个无偏差的数据。相对建模方式，这一基于实际数据来选择合适材料的方法，从工程上去除了凭猜测所做的工作，导致了“一次正确”的设定，插座配置和界面硬件配置。合金的电气机械特性不仅仅帮助封了封装设计人员，也援助了器件设计。机械方面的，也是电气方面的，由于将封装插入插座并测试而需要的增加了的负荷，硅片会被损坏。同样重要地，如果实现电气接触所需要的力超过机械负荷极限时，具有低介电常数（Low K）结构的倒装芯片将遭受可靠性的问题。

小几何尺寸的富铅倒装芯片凸点，实现电气接触，通常每个凸点需要承受15到20克的力。我们的团队使用了一个经改装的“CSM－Instruments”的微米硬度工具，针对模拟稳定电气接触和产出所需要的力的差别做出快速的估计。结果显示对于一个等价值，无铅材料组可能需要70%甚至更多的负荷。（这个结果由四点探针机构的Kelvin连接确认过了，显示了一个74%的差别。CSM工具用了大约5分钟，而使用Kelvin连接可能需要将近两周时间来获得结果。）代替标准测试块的电阻系数和硬度，设计者和工艺工程师向焊料和球的供应商要求在这里所讨论的这类数据。

额外增加的变量在FMEA上可能有高的等级，并且可能影响到性能表现（硬件和器件是相似的）比如助焊剂残留物，氧化物，合金污染物应该和凸点合金一样被同等的评估。冲洗和其它主张通过去除助焊剂残留和氧化物来清洁凸点的工艺，可以作为一个附加的标准，以便在一个实验设计中得到验证。DoE过程可以被概括为，针对凸点合金而建议采用正确的探针设计来匹配优先的目标产出，同时增加生产量和优化硬件设计。

针对凸点几何学优化探针设计是有必要的，这样可以帮助在有效刺穿助焊剂残留物和氧化物的屏障层产生电气回路的同时防止（对凸点的）伤害产生（要形成电气接触，有些凸点的变形是需要的；过多的负荷导致了损坏和产出率的降低）。该过程已从几个月（有临界结果）被改进到了几天（有精确的测试结果）。伴随着正确的设定，不断增加的方法，器件和设备的最优化，一个完整的凸点变形和电气优化的分析用不了3天就可做到。

最后，当比较无铅和富铅焊料时，注意由于尺寸的变化，在倒装芯片的焊料凸点和μbga封装间（250µm凸点几何尺寸相对750µm），会产生耐久力的变化。当负载了不同的最大负荷时，观察到了一个“变形”的差别。实验的结果是符合实际测试结果的，具有少于5%的误差幅度。（如果Kelvin连接是个因素的话，部分的误差可以被消除。）对于测试硬件设计，预防性的维护（PM）和晶片的破裂而言，这一差别是关键的，尤其是当无铅凸点安装在低介电常数焊盘上时。在封装或晶片上过多的负可能导致硬件的损坏和设备的停工。如果使用无铅焊料，尤其是使用在低介电常数结构上时，一个和这里所讨论的某个类似的分析方法，可能对市场销售和可靠性的改良是适时有帮助的。