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許多年前，無鉛還被人當作一時的狂熱而丟置一旁。然而事過境遷，許多日本公司已經轉向無鉛了，許多的歐洲和美國公司也正在過渡中。很多設計管理人員等待著，直到更多的指令的出臺，因為他們不愿為了某個執行日期改變和潛在的替代合金改變一樣快的指令（WEEE和RoHS），而招致產品的重新設計和重新認證成本的產生。日本已經有了完全轉化的日期；歐盟的最終期限是另一個不同的日期，再外加來自美國對轉化的抵制。

　　由于許多原因，無鉛產品是重要的，有兩點最為突出。第一，半導體工業產生的大量的廢棄物含有鉛，這些材料最終會進入環境中。第二，實際上操作人員經常要在遠離排風口的公共區域進行手工焊接（會產生焊料煙霧）。其他大規模的生產－從采礦到SMT焊爐－也會將鉛加進環境中。加上環境工作在全世界的推行，轉換到無鉛顯然應該是必須的。

　　無鉛焊接的轉換不是長期可靠性的簡單確認，也不是溫度漂移(材料組)至260℃的簡單確認。這種轉換是對制造可行性和測試的確認。如果這些基本結果不能達到，那么這種合金就不是一個合適的替代品。如果一種工藝不能生產出產品且保持可控，那么這種工藝就是不可行的。理解無鉛是怎樣影響到性能表現和工藝控制的，這才是其執行的核心內容。

　　從富鉛材料（PbR）切換到無鉛材料時, 失效模式和效果分析(FMEA)應該增加額外的變量。機械角度，無鉛材料典型的要比高含鉛材料硬。在著作中被引用的、具代表性的數據列出的是一個固體樣本（標準的立方體區域和質量）的塊體屬性。不幸的是，回流后的焊料合金即不是塊體狀態的也不和初始的合金具有相同的成分。（金，銅，鎳，鈀和其它金屬會污染合金，改變機械系數。） 缺少的是能夠對比小球和塊狀固體機械差別的簡便圖表；缺少的是當對象是有凸點和無凸點倒裝芯片時能顯示其差別的圖表；也缺少了顯示無鉛合金機電屬性改變的圖表。
　　對凸點和外部環境間接觸區域的仔細檢查顯示出，硬度對插座設計，電氣接觸（阻抗和接觸電阻）以及整個產出有明顯的影響。不僅無鉛合金是硬的特點，就連表面氧化物/助焊劑殘留覆蓋物的組合，也能在首次電氣接觸和接觸電阻上產生多種影響。

　　兩種現成的“bga”器件（相同封裝，一種含鉛量高，另一種不含鉛；精確的合金成份與本次試驗無關）被用來評價焊料轉換的影響。圖1和圖2示范了一個明顯的負荷差別，以證實類似的凸點變形。（變形程度和為形成電氣接觸而在凸點上所需施加的最小力有直接關系。對于使用錫鉛合金的電氣接觸而言，對變形的選擇是典型的。）

　　如圖3和圖4所突出的，在目標負荷情況下，含鉛量高的器件會比無鉛合金器件發生最高可達50%的變形。當負荷移走后，含鉛量高的器件會保留比無鉛合金器件多達75%的變形。這種現象和高鉛焊料的機械屬性有關。當比較無凸點類型時，在銅凸點的倒裝芯片封裝上，這一現象也很顯著。改變凸點的化學成份會導致在冶金和機械方面有一連串的改變；很可能是由于銅在焊料中的溶解和合金化。

　　當我們尋找方法來改進bga安裝到插座或倒裝芯片安裝到探針卡上的壽命，并且去理解怎樣的從高鉛向無鉛的轉換才會影響到電氣和機械性能時，物理測試是必需的。對于倒裝芯片，為確定是否在提高產出的同時能維持更好的工藝控制，電氣機械特性的比較分析是必需的。伴隨著正確的工具設定（該過程使用改良自CSM儀表的工具），電氣接觸電阻－也包括確切的首次電氣接觸及機械持久力－能很容易獲得。
　　在我們的評估中，我們確定了處于確切電氣接觸和機械變形之間的最佳接觸點，以提供更好的工藝控制。數據顯示，和回流溫度無關，從富鉛向無鉛的轉換，在電氣或機械方面都不是一個普通的替換。這一方法也提供了調查者一個早期的機會來評估在焊料凸點的可靠性方面由于測試設備未對準而造成的影響。

　　電氣機械數據提供了工藝/設計FMEA人員在合金選擇方法上一個無偏差的數據。相對建模方式，這一基于實際數據來選擇合適材料的方法，從工程上去除了憑猜測所做的工作，導致了“一次正確”的設定，插座配置和界面硬件配置。合金的電氣機械特性不僅僅幫助封了封裝設計人員，也援助了器件設計。機械方面的，也是電氣方面的，由于將封裝插入插座并測試而需要的增加了的負荷，硅片會被損壞。同樣重要地，如果實現電氣接觸所需要的力超過機械負荷極限時，具有低介電常數（Low K）結構的倒裝芯片將遭受可靠性的問題。

　　小幾何尺寸的富鉛倒裝芯片凸點，實現電氣接觸，通常每個凸點需要承受15到20克的力。我們的團隊使用了一個經改裝的“CSM－Instruments”的微米硬度工具，針對模擬穩定電氣接觸和產出所需要的力的差別做出快速的估計。結果顯示對于一個等價值，無鉛材料組可能需要70%甚至更多的負荷。（這個結果由四點探針機構的Kelvin連接確認過了，顯示了一個74%的差別。CSM工具用了大約5分鐘，而使用Kelvin連接可能需要將近兩周時間來獲得結果。）代替標準測試塊的電阻系數和硬度，設計者和工藝工程師向焊料和球的供應商要求在這里所討論的這類數據。

　　額外增加的變量在FMEA上可能有高的等級，并且可能影響到性能表現（硬件和器件是相似的）比如助焊劑殘留物，氧化物，合金污染物應該和凸點合金一樣被同等的評估。沖洗和其它主張通過去除助焊劑殘留和氧化物來清潔凸點的工藝，可以作為一個附加的標準，以便在一個實驗設計中得到驗證。DoE過程可以被概括為，針對凸點合金而建議采用正確的探針設計來匹配優先的目標產出，同時增加生產量和優化硬件設計。

　　針對凸點幾何學優化探針設計是有必要的，這樣可以幫助在有效刺穿助焊劑殘留物和氧化物的屏障層產生電氣回路的同時防止（對凸點的）傷害產生（要形成電氣接觸，有些凸點的變形是需要的；過多的負荷導致了損壞和產出率的降低）。該過程已從幾個月（有臨界結果）被改進到了幾天（有精確的測試結果）。伴隨著正確的設定，不斷增加的方法，器件和設備的最優化，一個完整的凸點變形和電氣優化的分析用不了3天就可做到。

　　最后，當比較無鉛和富鉛焊料時，注意由于尺寸的變化，在倒裝芯片的焊料凸點和μbga封裝間（250µm凸點幾何尺寸相對750µm），會產生耐久力的變化。當負載了不同的最大負荷時，觀察到了一個“變形”的差別。實驗的結果是符合實際測試結果的，具有少于5%的誤差幅度。（如果Kelvin連接是個因素的話，部分的誤差可以被消除。）對于測試硬件設計，預防性的維護（PM）和晶片的破裂而言，這一差別是關鍵的，尤其是當無鉛凸點安裝在低介電常數焊盤上時。在封裝或晶片上過多的負可能導致硬件的損壞和設備的停工。如果使用無鉛焊料，尤其是使用在低介電常數結構上時，一個和這里所討論的某個類似的分析方法，可能對市場銷售和可靠性的改良是適時有幫助的。