無(wú)鉛焊接的質(zhì)量和可靠性分析

1、編號(hào)：時(shí)間：2021年x月x日書山有路勤為徑，學(xué)海無(wú)涯苦作舟頁(yè)碼：第11頁(yè) 共11頁(yè)無(wú)鉛焊接的質(zhì)量和可靠性分析前言：傳統(tǒng)的鉛使用在焊料中帶來(lái)很多的好處，良好的可靠性就是其中重要的一項(xiàng)。例如在常用來(lái)評(píng)估焊點(diǎn)可靠性的抗拉強(qiáng)度，抗橫切強(qiáng)度，以及疲勞壽命等特性，鉛的使用都有很好的表現(xiàn)。在我們準(zhǔn)備拋棄鉛后，新的選擇是否能夠具備相同的可靠性，自然也是業(yè)界關(guān)心的主要課題。 一般來(lái)說(shuō)，目前大多數(shù)的報(bào)告和宣傳，都認(rèn)為無(wú)鉛的多數(shù)替代品，都有和含鉛焊點(diǎn)具備同等或更好的可靠性。不過(guò)我們也同樣可以看到一些研究報(bào)告中，得到的是相反的結(jié)果。尤其是在不同PCB焊盤鍍層方面的研究更是如此。對(duì)與那些親自做試驗(yàn)的用戶，我想他們自然

2、相信自己看到的結(jié)果。但對(duì)與那些無(wú)能力資源投入試驗(yàn)的大多數(shù)用戶，又該如何做出選擇呢？我們是選擇相信供應(yīng)商，相信研究所，還是相信一些形象領(lǐng)先的企業(yè)？我們這回就來(lái)看看無(wú)鉛技術(shù)在質(zhì)量方面的狀況。什么是良好的可靠性？當(dāng)我們談?wù)摽煽啃詴r(shí)，必須要有以下的元素才算完整。1 使用環(huán)境條件（溫度、濕度、室內(nèi)、室外等）；2 使用方式（例如長(zhǎng)時(shí)間通電，或頻繁開關(guān)通電，每天通電次數(shù)等等特性）；3 壽命期限（例如壽命期5年）；4 壽命期限內(nèi)的故障率（例如5年的累積故障率為5%）。而決定產(chǎn)品壽命的，也有好幾方面的因素。包括：1 DFR（可靠性設(shè)計(jì)，和DFM息息相關(guān)）；2 加工和返修能力；3 原料和產(chǎn)品的庫(kù)存、包裝等處理；4

3、 正確的使用（環(huán)境和方式）。了解以上各項(xiàng)，有助于我們更清楚的研究和分析焊點(diǎn)的可靠性。也有助于我們判斷其他人的研究結(jié)果是否適合于我們采用。由于以上提到的許多項(xiàng)，例如壽命期限、DFR、加工和返修能力等等，他人和我的企業(yè)情況都不同，所以他人所謂的可靠或不可靠未必適用于我。而他人所做的可靠性試驗(yàn)，其考慮條件和相應(yīng)的試驗(yàn)過(guò)程，也未必完全符合我。這是在參考其他研究報(bào)告時(shí)用戶所必須注意的。您的無(wú)鉛焊接可靠性好嗎？因此，在給自己的無(wú)鉛可靠性水平下定義前，您必須先對(duì)以下的問(wèn)題有明確的答案。§ 您企業(yè)的質(zhì)量責(zé)任有多大？§ 您有明確的質(zhì)量定義嗎？§ 您企業(yè)自己投入的可靠性研究，以及其過(guò)

4、程結(jié)果的科學(xué)性、可信度有多高？§ 您是否選擇和管理好您的供應(yīng)商？§ 您是否掌握和管理好DFM/DFR工作？§ 您是否掌握好您的無(wú)鉛工藝？只有當(dāng)您對(duì)以上各項(xiàng)都有足夠的掌握后，您才能夠評(píng)估自己的無(wú)鉛可靠性水平。更重要的，是您才能確保您的無(wú)鉛可靠性能夠提升和有所保證。舉個(gè)例子說(shuō)，很多試驗(yàn)都報(bào)告說(shuō)無(wú)鉛技術(shù)容易出現(xiàn)氣孔故障。從常見無(wú)鉛合金的特性上來(lái)看，無(wú)鉛是較容易出現(xiàn)氣孔。但合金特性不是唯一的因素。對(duì)氣孔問(wèn)題來(lái)說(shuō)，更重要的因素是焊劑配方（也就是錫膏種類）、爐子性能、工藝設(shè)置/調(diào)制能力、DFM和器件焊端材料等。如果用戶不掌握這些知識(shí)，則可能隨意的作了一些試驗(yàn)后見到氣孔多，就說(shuō)

5、氣孔在無(wú)鉛中是個(gè)問(wèn)題。而實(shí)際上，氣孔在無(wú)鉛中，是可能比那些不懂得處理技術(shù)整合的用戶，在有鉛技術(shù)中控制得更好的?？煽啃圆⒎鞘侨詢烧Z(yǔ)可以說(shuō)清楚的。而是一門需要很多定義、規(guī)范、認(rèn)證、數(shù)據(jù)支持等等工作的科學(xué)?？煽啃缘囊罁?jù)和標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)我們?cè)u(píng)估無(wú)鉛焊點(diǎn)時(shí)，其可靠性的合格標(biāo)準(zhǔn)是什么？由于無(wú)鉛技術(shù)是用來(lái)取代有鉛技術(shù)的，一個(gè)很自然合理的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，就是和傳統(tǒng)的錫鉛焊點(diǎn)進(jìn)行比較。所以我們一般要求新的替代品，應(yīng)該具有和錫鉛焊點(diǎn)同等的可靠性，或最少很接近。所以在一般的無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性分析中，我們都是和相同設(shè)計(jì)、工藝下的錫鉛焊點(diǎn)效果進(jìn)行比較。而一般使用Sn37Pb為基準(zhǔn)的較多。也有一部分使用SnPbAg為比較基準(zhǔn)的。經(jīng)過(guò)了

6、一段時(shí)間的發(fā)展，目前由于較多同業(yè)偏向看好SAC為無(wú)鉛焊料的主流，所以不少其他無(wú)鉛合金的研究上也使用SAC作為比較對(duì)象的。無(wú)鉛技術(shù)的可靠性情況：經(jīng)過(guò)了約15年的開發(fā)研究，我們到底對(duì)無(wú)鉛技術(shù)的可靠性把握多少？可靠性不同與生產(chǎn)直通率，它需要一定的使用時(shí)間來(lái)給于人們較高的信心。這也就是說(shuō)，必須有較長(zhǎng)使用時(shí)間和足夠使用量的情況下才能有較可靠的結(jié)論。在一項(xiàng)非正式的統(tǒng)計(jì)中，我們對(duì)業(yè)界認(rèn)為無(wú)鉛是否可靠得出以下的結(jié)果：§ 94%的報(bào)告說(shuō)可靠§ 100%的供應(yīng)商說(shuō)他們有可靠的材料和方案§ 87%的研究院報(bào)告說(shuō)還需要進(jìn)一步研究而事實(shí)上，我們只有約4%的制造商有不超過(guò)5年的實(shí)際大量使用經(jīng)

7、驗(yàn)。這對(duì)于一些使用壽命要求較長(zhǎng)的電子產(chǎn)品絕對(duì)是不夠的。我們目前靠的主要是試驗(yàn)分析結(jié)果。而由于這些試驗(yàn)做法仍然存在著不少問(wèn)題（請(qǐng)看下一節(jié)的解說(shuō)），我們可以說(shuō)，目前的可靠性狀況，還存在著：§ 不夠完整§ 不夠精確§ 不夠適用的風(fēng)險(xiǎn)所以當(dāng)用戶在處理這問(wèn)題時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵就是先前我提到的“您企業(yè)的質(zhì)量責(zé)任有多大？”。這是決定你對(duì)無(wú)鉛可靠性的認(rèn)同態(tài)度的主要因素。責(zé)任越大，您就應(yīng)該越不放心，越覺(jué)得無(wú)鉛還是未必可靠。到底目前業(yè)界是如何看法的呢？就一般業(yè)界較認(rèn)同的看法來(lái)說(shuō)，目前我們偏向于相信以下的狀況。對(duì)于使用環(huán)境較溫和的產(chǎn)品，例如室內(nèi)使用的家用電器、通訊設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等等（注一），

8、我們都認(rèn)為無(wú)鉛技術(shù)可以滿足要求。這類應(yīng)用中，較多無(wú)鉛技術(shù)研究中發(fā)現(xiàn)無(wú)鉛焊點(diǎn)具有和含鉛技術(shù)相同或更好的可靠性。但在較惡劣環(huán)境下使用的產(chǎn)品，例如航空設(shè)備、汽車電子、軍用品等等（注二），業(yè)界則還不放心。研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)無(wú)鉛有時(shí)不如含鉛技術(shù)。圖一的研究報(bào)告就顯示了某些無(wú)鉛材料的這種特性，SAC可靠性和SnPb比較上，能力會(huì)因?yàn)樗惺軕?yīng)力或應(yīng)變程度而有所不同。美國(guó)新澤西州一家研究所EPSI機(jī)構(gòu)曾對(duì)無(wú)鉛和有鉛技術(shù)的研究程度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。其得出的結(jié)果是無(wú)鉛的研究資料只有有鉛的10%，而實(shí)際經(jīng)驗(yàn)只有有鉛技術(shù)的24%（注三）。這也向業(yè)界提供了一個(gè)信息：我們可能還做得不夠！可靠性研究面對(duì)的問(wèn)題：上面我提到目前無(wú)鉛

9、技術(shù)的可靠性仍然具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。這風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自什么地方，或是什么原因造成會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)呢？以下是一些主要的原因。1 目前使用來(lái)判斷可靠性（壽命）的常用做法是通過(guò)熱循環(huán)的加速老化試驗(yàn)方法，通過(guò)加溫減溫來(lái)給焊點(diǎn)制造應(yīng)力而使其最終斷裂，并記錄其壽命（一般是熱循環(huán)次數(shù)），制圖和進(jìn)行比較來(lái)評(píng)估。而事實(shí)上，在應(yīng)用中我們的條件是和試驗(yàn)中有所不同的。例如溫度變化的不規(guī)律性、較大的蠕變混合模式等等，這都不是試驗(yàn)中有照顧到的。而目前我們還缺乏一套能夠從試驗(yàn)室內(nèi)的單純模擬，按實(shí)際使用情況推算出實(shí)際壽命的方法。所以試驗(yàn)室內(nèi)的結(jié)果，和實(shí)際應(yīng)用中有可能出現(xiàn)較大的差別。而這種差別，在無(wú)鉛新材料上我們甚至沒(méi)有理論上的預(yù)計(jì)和判斷，對(duì)其變

10、化關(guān)系幾乎是完全不懂；2 由于對(duì)某些理論還沒(méi)有掌握，在試驗(yàn)中我們可能做出一些錯(cuò)誤的模擬試驗(yàn)設(shè)置，結(jié)果當(dāng)然就得出一些錯(cuò)誤的信息。比如在金屬須Whisker的認(rèn)證試驗(yàn)中，有些試驗(yàn)采用了高溫高濕老化的方法，這做法雖然能夠通過(guò)加快原子遷移促使焊點(diǎn)的金屬須增長(zhǎng)加快，但事實(shí)上也同時(shí)會(huì)對(duì)焊點(diǎn)或材料產(chǎn)生煅燒退火的效應(yīng)，從而減少金屬須增長(zhǎng)的幾率。但在實(shí)際使用中，金屬遷移會(huì)在室溫下出現(xiàn)，煅燒退火的效果卻不會(huì)在室溫下形成，所以我們得到的試驗(yàn)結(jié)果可能偏好而造成錯(cuò)誤的判斷；3 如果我們研究多數(shù)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)中人們很容易忽略了SMT故障形成的復(fù)雜因果關(guān)系（或許是為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)而有意忽略），而只用過(guò)于簡(jiǎn)單的幾項(xiàng)變數(shù)控制來(lái)

11、進(jìn)行試驗(yàn)和分析。例如有一個(gè)實(shí)際例子中，某試驗(yàn)在對(duì)不同PCB焊盤保護(hù)材料進(jìn)行比較時(shí)，采用了眾多OSP中的一種，而后認(rèn)定OSP的能力不能接受，表現(xiàn)和他們建議的純錫差別很大。事實(shí)上OSP不只種類多，還和其他材料一樣受到供應(yīng)商加工和質(zhì)量控制能力的重大影響。但這些先決條件都沒(méi)有在試驗(yàn)前進(jìn)行分析控制，而作出了可能具備誤導(dǎo)性的結(jié)論。圖二可以讓我們更清楚看出這類問(wèn)題。我們假設(shè)用戶選擇的試驗(yàn)條件（材料配搭、工藝參數(shù)等）是圖中的#1的話，那他得出的結(jié)論是OSP和ENIG不良，ENEG不穩(wěn)定，ImAg最好而應(yīng)該被推薦。但他如果采用了試驗(yàn)條件#2，他則認(rèn)為所有不同的PCB處理都沒(méi)有什么不同的表現(xiàn)。這是截然不同的兩種結(jié)

12、論！而最重要的，是用戶的實(shí)際情況是什么？用戶的材料、設(shè)計(jì)、工藝、設(shè)備、加工廠能力等等的技術(shù)整合結(jié)果，是處于條件中的#1？#2？還是其他的點(diǎn)上？這在SMT技術(shù)中是個(gè)不容易的工作，需要對(duì)各種工藝、設(shè)計(jì)、材料、設(shè)備等等都有很好掌握的人員才能處理得合理。在工作中我見過(guò)有不少的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，是考慮不周的。這也說(shuō)明了為什么很多報(bào)告，其結(jié)果不能吻合。4 熱循環(huán)疲勞失效試驗(yàn)是研究可靠性中最主要的方法之一。為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，一般都采用高應(yīng)力，高應(yīng)變的試驗(yàn)做法。但業(yè)界也發(fā)現(xiàn)，很多焊料的特性表現(xiàn)，在低應(yīng)力、低應(yīng)變的情況下顯得不穩(wěn)定和出現(xiàn)不同的結(jié)論。而實(shí)際應(yīng)用上，焊點(diǎn)所面對(duì)的是大范圍的應(yīng)力和應(yīng)變。但很少試驗(yàn)是在低應(yīng)力、低

13、應(yīng)變下進(jìn)行的。而這方面的高與低標(biāo)準(zhǔn)，以及他們和產(chǎn)品設(shè)計(jì)、應(yīng)用等上的關(guān)系等等知識(shí)資料也很缺乏；5 可靠性特性的針對(duì)性相當(dāng)強(qiáng)。比如類似“使用在BGA的可靠性好”這樣的評(píng)語(yǔ)，事實(shí)上是不夠精確的。我們發(fā)現(xiàn)，BGA的大小，BGA的焊端（Bump）數(shù)量也都影響可靠性結(jié)果。例如一份報(bào)告中發(fā)現(xiàn)，9個(gè)焊端的CSP，其可靠性就比24個(gè)焊端的小了1.5倍！而我們并沒(méi)有資源對(duì)所有的不同組合（器件封裝、焊料、PCB、工藝參數(shù)、設(shè)計(jì)等）進(jìn)行試驗(yàn)分析。這就是說(shuō)，我們不免有一部分（還不知道有多大的一部分？）情況完全沒(méi)有把握到；6 保護(hù)各自利益影響信息的真實(shí)性。我們不難發(fā)現(xiàn)，業(yè)界的供應(yīng)商們所發(fā)表的資料，都是說(shuō)無(wú)鉛可行。而一些研

14、究院或用戶的報(bào)告，則總是在結(jié)尾上提到還需要研究認(rèn)證！。這在一定程度上也是受到本身利益的影響而過(guò)濾了某些信息。當(dāng)然，其壞處是誤導(dǎo)一些經(jīng)驗(yàn)不足，資源不足的用戶?；谝陨系脑?。我認(rèn)為我們?cè)诮佑|無(wú)鉛信息資料的同時(shí)，必須對(duì)各個(gè)資料的背景、細(xì)節(jié)等進(jìn)行相當(dāng)程度的分析判斷。并要求收集眾多的信息進(jìn)行比較。而最有用的，是擁有自己本身的認(rèn)證開發(fā)能力。以往有鉛時(shí)代的抄用做法，在進(jìn)入無(wú)鉛后會(huì)可能給您帶來(lái)問(wèn)題。如此說(shuō)來(lái)，是否所有的用戶都必須大量的投入可靠性研究？這也未必。我們還得來(lái)看看風(fēng)險(xiǎn)?？煽啃燥L(fēng)險(xiǎn)有多大：知道了存在的重重問(wèn)題，知道了我們聽說(shuō)或見到的可靠無(wú)鉛技術(shù)未必真的可靠后，那我們是否會(huì)問(wèn)：“使用無(wú)鉛的風(fēng)險(xiǎn)有多大？

15、”我沒(méi)有見到業(yè)界有對(duì)這問(wèn)題進(jìn)行分析預(yù)計(jì)的。或許這時(shí)候沒(méi)有人愿意這么做。商家肯定不愿意，研究院也因?yàn)樵诖_保質(zhì)量上有很大的困難而不愿意。不過(guò)按我的經(jīng)驗(yàn)和看法來(lái)判斷的話，我覺(jué)得風(fēng)險(xiǎn)還是偏小的，風(fēng)險(xiǎn)的隨機(jī)性也十分強(qiáng)。而且我個(gè)人覺(jué)得這風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題無(wú)法得到很好的解決，至少在三五年內(nèi)不會(huì)。我所以這么說(shuō)，基于以下的幾個(gè)觀點(diǎn)。1 許多試驗(yàn)，雖然把握的不好，但結(jié)果很少出現(xiàn)足以提出報(bào)警的大問(wèn)題。例如以下圖三中的比較。左右兩份研究的結(jié)論剛好是相反，這說(shuō)明在整個(gè)過(guò)程中我們并沒(méi)有對(duì)所有關(guān)鍵因素把握和控制到位。但即使結(jié)果不一樣，測(cè)試出來(lái)的數(shù)據(jù)卻顯示他們都很好的滿足實(shí)際回流焊接中的需要。2 單一材料的特性分析，目前的業(yè)界能力是足

16、夠的。所以那些無(wú)法事先得到較足夠認(rèn)證的，是個(gè)配搭問(wèn)題。這配搭包括材料間、材料和工藝間的配搭。也就是說(shuō)，并非每個(gè)用戶都有同樣遇到問(wèn)題的幾率。而是有較高的隨機(jī)性的。這問(wèn)題其實(shí)在有鉛時(shí)代已經(jīng)是常見的。我們不是常遇到某些批量出問(wèn)題，或常聽到供應(yīng)商說(shuō)：“我的其他客戶沒(méi)有這種問(wèn)題！”的嗎？就拿上圖三的例子來(lái)說(shuō)（假設(shè)兩個(gè)試驗(yàn)是可靠的，而差異是材料供應(yīng)商的差別），那使用左圖中的材料在回流焊接中的客戶，未必能發(fā)現(xiàn)其能力差。但如果是使用在波峰焊接中，則就可能是個(gè)問(wèn)題了！這里的風(fēng)險(xiǎn)是需要左圖的供應(yīng)商，加上波峰焊接工藝才會(huì)出現(xiàn)的。所以不是每個(gè)用戶都會(huì)遭遇到。3 無(wú)鉛對(duì)與那些高質(zhì)量要求的行業(yè)來(lái)說(shuō)，由于豁免條例等等，目前

17、的壓力還不太大。例如航天、軍用產(chǎn)品行業(yè)中，無(wú)鉛環(huán)保并不是個(gè)必須品。也就是說(shuō)無(wú)鉛是否可靠并不是他們急于解決的問(wèn)題。雖然這些行業(yè)可能受到供應(yīng)市場(chǎng)的轉(zhuǎn)變而受到一些影響，但這些行業(yè)對(duì)成本本身不敏感，而SMT中的有鉛或無(wú)鉛更是其成本中微不足道的一小部分。所以估計(jì)這方面的用戶，雖然關(guān)注無(wú)鉛的發(fā)展，但短期內(nèi)也不會(huì)做出很嚴(yán)厲的要求。4 一些影響可能較大的，也就是對(duì)質(zhì)量要求高，而成本上也有一些壓力的，比如電信和汽車電子等。所遇到的情況是一方面可以利用豁免條例來(lái)延緩這方面的沖擊；另一方面，即使法規(guī)上要求必須采用無(wú)鉛，其競(jìng)爭(zhēng)情況是一致的。加上目前大多數(shù)行業(yè)并沒(méi)有一套很好的市場(chǎng)可靠性監(jiān)控方法，而可靠性必須長(zhǎng)時(shí)間來(lái)認(rèn)證

18、等等，所以當(dāng)法規(guī)壓力大于用戶壓力時(shí)（不只是用戶沒(méi)有對(duì)可靠性做出嚴(yán)格可行的要求。有些用戶還可能對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)毫不知情，對(duì)遵從法規(guī)的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)可靠性方面的要求），這方面的無(wú)鉛化還是會(huì)在可靠性被懷疑的情況下推進(jìn)的。而在工作量和難度的壓力下，不可能有太多的企業(yè)主動(dòng)的去處理這方面的研究問(wèn)題。無(wú)鉛的焊接問(wèn)題：無(wú)鉛焊接的質(zhì)量問(wèn)題，有許多模式是和錫鉛技術(shù)中一樣的。因?yàn)槠鶈?wèn)題，我在本文中就不多加解釋。我們只看看無(wú)鉛技術(shù)中較特有的問(wèn)題。這些問(wèn)題，一般都是因?yàn)槿齻€(gè)因素所造成：1。高溫焊接環(huán)境；2。錫Sn的特性；以及3。替代鉛的其他金屬或合金特性。我們先來(lái)看看高溫帶來(lái)的問(wèn)題。首先受到影響的，是器件封裝的耐熱問(wèn)題。在無(wú)

19、鉛技術(shù)的推薦焊接溫度上（245 255），溫度比起以往SnPb的最高約235高出了20度。這對(duì)以往器件只保證承受240來(lái)說(shuō)，肯定是存在損壞風(fēng)險(xiǎn)的。而像BGA一類器件的使用，其本身封裝在焊接中的溫度就高過(guò)焊點(diǎn)溫度。加上其較冷熱特性的焊點(diǎn)，當(dāng)滿足BGA的焊接條件時(shí)，容易使到同一PCBA上的其他小熱容量器件的溫度高出許多，這又進(jìn)一步加強(qiáng)了熱損壞的風(fēng)險(xiǎn)。所以業(yè)界一些機(jī)構(gòu)如IPC等建議所有定為無(wú)鉛合格的器件，必須要能承受的起數(shù)次通過(guò)峰值溫度高達(dá)260的最低要求（注四）。不過(guò)這里要提醒的，是這是器件供應(yīng)商用來(lái)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)。和實(shí)際應(yīng)用中有一定的不同。由于實(shí)際PCBA上存在熱容量及對(duì)流條件的不同，我們是可能很難

20、同時(shí)滿足焊點(diǎn)的焊接溫度需求以及封裝的耐熱需求的。就如以上提到的BGA例子，當(dāng)BGA底部的中間焊點(diǎn)達(dá)到255時(shí)，BGA的封裝是很可能超過(guò)260的。對(duì)于較厚的BGA封裝，標(biāo)準(zhǔn)中還允許其保證在較低的溫度（如245，250，注四）。這在實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)問(wèn)題。高溫度帶來(lái)的問(wèn)題，還有以下各種故障：§ PCB變形和變色§ PCB分層§ PCB通孔斷裂§ 器件吸潮破壞（例如爆米花效應(yīng)）§ 焊劑殘留物清除困難§ 氧化程度提高以及連帶的故障（如氣孔、收錫等）§ 立碑§ 焊點(diǎn)共面性問(wèn)題（虛焊或開焊）§ 焊點(diǎn)殘留的內(nèi)應(yīng)力以上的

21、各種故障，其處理方法和有鉛技術(shù)并沒(méi)有太大的不同。主要是程度上要做得更到位，并對(duì)技術(shù)整合管理的要求更高。除了高溫問(wèn)題，無(wú)鉛還帶來(lái)了以下已經(jīng)為業(yè)界發(fā)現(xiàn)的特有問(wèn)題。焊點(diǎn)的剝離（Lifted Pad）：這類故障現(xiàn)象多出現(xiàn)在通孔波峰焊接工藝中，但也在回流工藝中出現(xiàn)過(guò)?，F(xiàn)象是焊點(diǎn)和焊盤之間出現(xiàn)斷層而剝離（圖四）。這現(xiàn)象的主要原因是無(wú)鉛合金的溫度膨脹系數(shù)和基板之間出現(xiàn)很大差別，導(dǎo)致在焊點(diǎn)固化的時(shí)候在剝離部份有太大的應(yīng)力而使他們分開。一些焊料合金的非共晶性也是造成這種現(xiàn)象的原因之一。所以處理這問(wèn)題主要有兩個(gè)主要做法，一是選擇適當(dāng)?shù)暮噶虾辖穑硪皇强刂评鋮s的速度，使焊點(diǎn)盡快固化形成較強(qiáng)的結(jié)合力。除了這方法外，我

22、們還可以通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)減少應(yīng)力的幅度，也就是將通孔的銅環(huán)面積減小。日本有一個(gè)流行的做法，是使用SMD焊盤設(shè)計(jì)。也就是通過(guò)綠油阻焊層來(lái)限制銅環(huán)的面積。但這種做法有兩個(gè)不理想的地方。一是較輕微的剝離不容易看出；二是SMD焊盤在綠油和焊盤界面的焊點(diǎn)形成，從壽命的角度上來(lái)看是屬于不理想的（注五）。有些剝離現(xiàn)象出現(xiàn)在焊點(diǎn)上（圖五），稱為裂痕或撕裂（Tearing）。這問(wèn)題如果在波峰通孔焊點(diǎn)上出現(xiàn)，在業(yè)界有些供應(yīng)商認(rèn)為是可以接受的。主要因?yàn)橥椎馁|(zhì)量關(guān)鍵部位不在這地方。但如果出現(xiàn)在回流焊點(diǎn)上，應(yīng)該算是質(zhì)量隱憂問(wèn)題，除非程度十分?。愃破鸢櫦y）。鉛污染問(wèn)題：由于鉛的加入對(duì)錫的特性影響很大，當(dāng)我們把鉛除去后，在焊

23、接過(guò)程中如果有鉛的出現(xiàn)，將會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的特性和質(zhì)量造成影響。很不幸的是不良的影響。這現(xiàn)象我們稱之為鉛污染。而由于從有鉛到無(wú)鉛的切換并非瞬時(shí)間的，所以在過(guò)渡期間我們很可能會(huì)同時(shí)存在有鉛和無(wú)鉛的材料（尤其是器件焊端材料）。所以我們必須了解和掌握鉛對(duì)無(wú)鉛焊點(diǎn)的影響。鉛的出現(xiàn)或鉛污染可能對(duì)焊點(diǎn)造成以下的兩種影響：1 熔點(diǎn)溫度的降低（程度看鉛的含量而定）；2 焊點(diǎn)壽命的損失（這方面十分敏感）；至于在焊接性和工藝性上則影響不多。因?yàn)橐话沣U的成分不會(huì)很多，不足以在工藝上造成影響。鉛對(duì)熔點(diǎn)溫度的影響相當(dāng)敏感，例如對(duì)常用的Sn3.5Ag焊料來(lái)說(shuō)，1%的鉛的出現(xiàn)就能使其熔點(diǎn)從221下降到179；而在目前建議給波峰焊接

24、使用的Sn0.7Cu來(lái)說(shuō)，1%的鉛也使其熔點(diǎn)從227下降到183。目前發(fā)現(xiàn)對(duì)鉛污染最敏感的是含有Bi的合金。當(dāng)Pb和Bi在一起出現(xiàn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熔點(diǎn)只有96的IMC，大大降低焊點(diǎn)的壽命。業(yè)界曾作過(guò)一些試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含0.5%的鉛（注六）會(huì)使Sn3.5Ag3Bi焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度下降原來(lái)的60%；而其疲勞壽命也下降了32%左右（注七）。鉛對(duì)不含Bi的焊點(diǎn)也有很大的破壞。例如在Sn1.5Ag3.1Cu合金中，0.5%的鉛會(huì)使壽命減少到?jīng)]有污染的43%左右。不過(guò)關(guān)鍵是，其他不含Bi的合金壽命一般比SnPb高出一定的程度。所以即使在受到鉛污染的破壞后，其壽命仍然合格，即相當(dāng)或過(guò)于SnPb焊點(diǎn)。比如Sn1.5Ag3

25、.1Cu焊點(diǎn)在0.5%鉛污染的情況下，其疲勞壽命仍然有SnPb焊點(diǎn)的2倍。所以一般認(rèn)為，只要不含Bi，鉛污染的問(wèn)題不會(huì)太嚴(yán)重。但這里我做個(gè)提醒，未必所有可用的無(wú)鉛合金都已經(jīng)過(guò)認(rèn)證。所以用戶必須確保本身采用的焊料合金對(duì)鉛污染的敏感性。和您的供應(yīng)商探討這問(wèn)題是重要的?？耸峡湛祝↘irkendall Voids，注八）：這是一種固態(tài)金屬界面間金屬原子移動(dòng)造成的空孔現(xiàn)象。由美國(guó)克肯多先生于1939年發(fā)現(xiàn)并以其姓氏命名。在無(wú)鉛技術(shù)中，由于一般焊料的Sn含量比傳統(tǒng)的Sn37Pb高很多，而Sn和其他金屬如Au，Ag和Cu等很容易出現(xiàn)這種克氏空孔現(xiàn)象（圖六）。所以在無(wú)鉛中算是一種較新的故障模式。圖六顯示在銅焊

26、盤和錫焊點(diǎn)之間存在Cu6Sn5的IMC層。而在Cu和Cu6Sn5的界面，由于Cu進(jìn)入Sn的速度快，會(huì)造成一些無(wú)法填補(bǔ)的空孔（圖中黑色部份）。這就是克氏空孔了?？耸峡湛椎男纬伤俣群蜏囟扔泻艽蟮年P(guān)系，溫度越高增長(zhǎng)越快。這是因?yàn)楦邷卦黾恿嗽踊顒?dòng)能量的關(guān)系。所以要預(yù)防克氏空孔的危害，必須在材料和溫度上著手。一般Au，Ag和Cu是最容易和Sn間出現(xiàn)克氏空孔的。用戶必須在這方面給于小心處理。例如用于高溫的焊點(diǎn)（注九），其界面材料選擇就應(yīng)該避開使用Au，Ag或Cu直接和高Sn含量的焊點(diǎn)接觸。比如使用Ni層隔離等方法。而在工藝中，例如使用Ni/Au鍍層的，就必須確保其鍍層厚度和工藝參數(shù)（焊接溫度和時(shí)間）配合

27、，使Au能夠完全的溶蝕并和Ni間形成IMC。這問(wèn)題容易出現(xiàn)在較冷的BGA底部。OSP鍍層由于在焊點(diǎn)形成后Cu和高Sn含量的焊點(diǎn)直接接觸，所以對(duì)與高溫應(yīng)用并不是很理想。金屬須（Whisker）問(wèn)題：在含鉛技術(shù)中，金屬須（圖六）的問(wèn)題并不被大多數(shù)人重視。因?yàn)榇蠹s>3%的鉛能夠很好的阻止金屬須的生長(zhǎng)。但其實(shí)金屬須問(wèn)題在含鉛技術(shù)中已經(jīng)存在。在航天和軍用設(shè)備上已經(jīng)有遭受其危害的事例。如今當(dāng)我們?cè)跓o(wú)鉛技術(shù)中將鉛去除后，絕大多數(shù)的合金都屬于高Sn含量，甚至有100%Sn在器件和PCB焊盤鍍層上的應(yīng)用被看好的。Sn是一種較容易出現(xiàn)金屬須的金屬。所以金屬須問(wèn)題在無(wú)鉛技術(shù)中就成了個(gè)較熱門的話題和研究對(duì)象了。

28、金屬須并不需要環(huán)境條件來(lái)助長(zhǎng)。目前業(yè)界對(duì)其原理還沒(méi)有下定論，但一般較相信是因?yàn)閮?nèi)層Sn的應(yīng)力所引起的。金屬須沒(méi)有固定的形狀（圖七），針形的一般可長(zhǎng)到數(shù)十微米或更長(zhǎng)（曾發(fā)現(xiàn)近10mm的）。也沒(méi)有明確的生長(zhǎng)時(shí)間，有數(shù)天到數(shù)年的巨大變化范圍。業(yè)界目前在金屬須課題上面對(duì)的問(wèn)題，是還沒(méi)有人真正了解其機(jī)理和控制方法。雖然經(jīng)過(guò)多年的研究，人們已經(jīng)整理出好些有用的經(jīng)驗(yàn)，但卻還不能確定該如何預(yù)防或控制金屬須。比如亞光錫（Matte Sn）的使用，雖然是目前被推薦的主要方法之一，但業(yè)界也曾發(fā)現(xiàn)過(guò)在亞光錫上出現(xiàn)的金屬須。這說(shuō)明這技術(shù)還不是絕對(duì)可靠的。由于了解的不到位，目前業(yè)界也沒(méi)有一套被認(rèn)可試驗(yàn)的方法。這也增加了對(duì)

29、其研究的困難。通過(guò)各方的研究以及業(yè)界的經(jīng)驗(yàn)，整理出較被認(rèn)可的論點(diǎn)可以總結(jié)如下：在影響金屬須生長(zhǎng)的因素方面有：§ 金屬種類和合金成分§ 金屬鍍層的厚度§ 鍍層表層的微晶結(jié)構(gòu)§ 鍍層的電鍍工藝（電鍍液配方和電鍍參數(shù)）§ 庫(kù)存溫度（發(fā)現(xiàn)在10以下增長(zhǎng)較快）§ Sn中的碳和有機(jī)物含量§ 機(jī)械應(yīng)力（內(nèi)部和外加）在處理或預(yù)防方法上，有用的經(jīng)驗(yàn)有：§ 使用亞光錫，目前還推出據(jù)說(shuō)更好的鍛光錫工藝§ 使用較厚的Sn鍍層§ 對(duì)已經(jīng)電鍍好的Sn面進(jìn)行浸錫加工§ 在Sn中加入其他金屬（例如Bi，Sb，Cu等）

30、§ 在Sn的鍍層和基材間加上另外一層不同金屬（比如鎳），改變其IMC界面的金屬遷移特性§ 電鍍后煅燒退火§ 三防噴涂§ 減少PCBA安裝時(shí)的機(jī)械力（例如螺絲孔造成的扭曲力等）以上方法在一定程度上有效，但還不足于給人們完全放心。目前在這課題上的狀況是“風(fēng)險(xiǎn)不算大，但隨機(jī)性強(qiáng)，還需要不斷摸索研究！”錫瘟問(wèn)題：錫瘟是錫在低溫下改變其微晶結(jié)構(gòu)相位所造成的一種現(xiàn)象。錫瘟在形成時(shí)的體積增長(zhǎng)約26%，性質(zhì)很脆，稱粉狀，所以對(duì)焊點(diǎn)會(huì)造成可靠性問(wèn)題。形成時(shí)出現(xiàn)像疙瘩狀的表面（圖八）。錫瘟有一定的延遲生長(zhǎng)時(shí)間，可能達(dá)數(shù)年之久。但一旦開始形成就會(huì)快速的蔓延。錫瘟一般在低于13

31、.2以下開始形成，約在-30幾度時(shí)形成速度最快。錫瘟現(xiàn)象曾被發(fā)現(xiàn)在SnCu，SnZn，和SnAg合金中，表示無(wú)鉛材料可能具有這方面的風(fēng)險(xiǎn)。Sn中的Al和Zn雜質(zhì)也會(huì)助長(zhǎng)錫瘟。在有鉛技術(shù)中，錫瘟不是個(gè)關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)镻b可以阻止錫瘟的形成。我們也發(fā)現(xiàn)兩種較Pb還能阻止錫瘟的金屬，就是Bi和Sb。少量的（0.2-0.5%）的Bi或Sb能夠預(yù)防錫瘟。所以這是個(gè)推薦的方法。雖然我們對(duì)錫瘟的現(xiàn)象和原理已經(jīng)有較好的了解。但在SMT無(wú)鉛技術(shù)中，錫瘟并不是一個(gè)重點(diǎn)研究的對(duì)象。這可能是由于錫瘟不像金屬須問(wèn)題，它在電子業(yè)中并沒(méi)有具體的破壞事例。在70年代，當(dāng)時(shí)器件的鍍層是以純Sn為主，也就是最敏感的。但也沒(méi)有報(bào)告說(shuō)受到錫瘟問(wèn)題的破壞。所以，錫瘟的目前狀況，也是屬于一個(gè)有擔(dān)心但非急于解決的問(wèn)題。后語(yǔ)：從電子業(yè)開始談無(wú)鉛技術(shù)到現(xiàn)在，已經(jīng)有超過(guò)15個(gè)年頭了。但對(duì)無(wú)鉛的可靠性研究和把握的角度來(lái)評(píng)估的話，我們還只是開始入門。研究、觀察經(jīng)驗(yàn)雖然有一定的量，不過(guò)因?yàn)榧夹g(shù)的復(fù)雜和變數(shù)眾多，使我們還不敢斷然說(shuō)無(wú)鉛已經(jīng)是具備高可靠性的技術(shù)了。雖然如此，這些不確定性并不會(huì)真正影響我們的推進(jìn)以及可能在明年中的較全面采用無(wú)鉛技術(shù)。因?yàn)槲覀冊(cè)谛×垦芯亢蛻?yīng)用中，也沒(méi)有看到較大的風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)鉛的目前問(wèn)題較多出現(xiàn)在表面