【文章內容簡介】 圖47連續(xù)使用SH100C與SH100Ce的場合銅濃度的變化焊料的雜質中即使混入少量的鉛，也會成為焊角上浮、連接可靠性降低的主要原因，也是無鉛焊料的最大敵人。加入少量的銀和鉍本身對特性無太大影響，但若與鉛混合加入時則特性水劣化，所以必須注意混合污染。混入微量的鋅時，由焊料表面所形成的氧化膜產生大量的殘渣，使焊接無論如何也不能正常進行。由于產生上述的混合污染都是在與焊料相連的基材和電極連接界面附近，所以，研究基材和電極的鍍層材質與結構，對確保連接可靠性是極為重要的。無鉛焊料即使是松脂心的軟焊料，其線也硬如鋼絲不易卷曲。當使用烙鐵機械手自動給線機時，有時就從導槽中掉下來了。還有焊劑的含量比原來的3%稍微多一點則容易手工操作。由于焊料的熔點高且擴展性差，所以希望烙鐵頭溫度高些。但溫度太過則錫粘附在烙鐵頭上而立即不能使用了。與其提高溫度，不如使用熱容量大的烙鐵更容易操作。 今后的一個大的課題就是隨著焊料替代而增多的含鉛焊料的廢棄處理和由無鉛焊料產出的渣滓的再利用。在有鉛焊料中當混入含有銀和鉍、鋅等無鉛焊料的渣滓時則不能再利用。反過來，在無鉛焊料中當混入有鉛的渣滓時同樣也不能利用，所以嚴格禁止相互混合。如果已經(jīng)混合了，則該焊料和渣滓就報廢了，或者只能用高成本的電解精煉法分解混入的雜質來達到再利用的目的。今后為了保護資源，在焊料的處理上應有大規(guī)模的再利用基礎。第5章 過渡階段有鉛、無鉛混用應注意的問題 關于過渡時期無鉛焊接可靠性的討論關于無鉛焊接可靠性問題是制造商和用戶都十分關心的問題。尤其是當前無鉛焊接材料、印制板、元器件、檢測、可靠性等方面的標準還不完善，甚至可靠性的測試方法也沒有標準的情況下，可靠性是非常讓人們擔憂的?，F(xiàn)階段的無鉛工藝和有鉛工藝都有可能發(fā)生可靠性問題。從形成焊點的3個要素（焊料、元器件焊端、PCB表面鍍層）來看，在傳統(tǒng)的SnSb 焊接時，焊料是SnSb ，元器件焊端、PCB表面鍍層大多也是SnSb鍍層，因此，焊接時焊料合金與被焊接的金屬之間的相容性非常好。SnSb焊接已經(jīng)有了近百年的應用史，對焊點的連接強度和可靠性也有了近六十年的研究，盡管如此，理論界在焊接機理等方面仍然有一些分歧，但從總體看，SnSb焊點的電氣性能、物理、化學穩(wěn)定性和機械連接可靠性等方面是能夠滿足當前各種電子產品要求，可以說SnSb焊料是一種被大家公認的、極為理想的電子釬焊材料。而無鉛焊接在發(fā)達國家也只有十幾年的應用史，對無鉛焊接的可靠性研究只有近十年的時間，世界各國研究機構對無鉛焊接機理、對不同無鉛焊料合金與不同被焊接金屬表面焊接后形成的界面合金層、對無鉛焊點可靠性等方面還沒有統(tǒng)一的認識，無鉛焊點的長期可靠性還有待進一步研究。焊點抗拉強度與釬縫金相組織結構以及焊接界面金屬間化合物的成分與厚度有直接的關系。雖然無鉛接過程、焊接機理與Sn37Pb基本相同。但是，由于無鉛焊接中形成焊點的3個要素：焊料、元器件焊端和PCB 表面鍍層都發(fā)生了變化——不但無鉛焊接的焊料合金成分和助焊劑成分改變了、元件焊端與PCB焊盤的鍍層材料也發(fā)生變化了，而且無鉛元件的焊端材料種類非常多，因此，形成焊點的3個要素之間的組合變得比較復雜了，在同一塊組裝板上，尤其在焊料與元件這一側，可能會發(fā)生多種不同的界面反應；它們形成最佳金屬間化合物的溫度、時間等條件也有所差別；生成的金屬間化合物的結構、厚度、強度、可靠性也有所不同了。在同一塊組裝板上，如果有一個元件、甚至只有一個焊點不相容，都可能造成整個電路的故障。由于鍍Sn的成本比較低，因此，目前無鉛元件焊端采用鍍Sn 工藝比較多，但鍍Sn容易形成Sn須。Sn須在窄間距的QFP等元件處容易造成短路，會影響長期可靠性；另外， SnAgCn焊料與Cn 焊接時，遇到微量Pb會發(fā)生偏析現(xiàn)象，容易引起焊縫浮起（FilletLifting），也會影響長期可靠性。無鉛焊料是“高錫”焊料。高錫帶來的問題是：高溫、表面張力大、粘度大、浸潤性差、工藝窗口小等問題。因而焊點中的空洞以及界面的微孔比較多，而“高溫”又會帶來工藝上的難，可能會損壞元件和印制板。這些問題都會影響無鉛產品的長期可靠性?？傊捎跓o鉛化實施時間不長，還有許多不完善之處。目前國際上對于無鉛產品、無鉛焊點可靠性問題（包括測試方法）還在最初的研究階段，無鉛焊點的長期可靠性還存在不確定的因素，即使完全無鉛化以后，無鉛焊點的長期可靠性，到目前為止國際上也還沒有完全研究清楚。高可靠產品是獲得豁免的，因此，高可靠產品實施無鉛工藝必須慎重考慮長期可靠性問題。因為鉛是比較軟的，容易變形，因此無鉛焊點的硬度比Sn/Pb高，無鉛焊點的強度也比Sn/Pb高，無鉛焊點的變形比Sn/Pb焊點小，但是這些并不等于無鉛的可靠性好。由于無鉛焊料的潤濕性差，因此空洞、移位、立碑等焊接缺陷比較多；由于熔點高，如果助焊劑的活化溫度不能配合高熔點，會影響潤濕性，并直接影響界面反應和焊點界面結合強度；另外，由于無鉛焊接溫度高，金屬間化合物（IMC）的生長速度比較快，容易造成IMC過厚，而I M C 是脆性的，容易在界面產生龜裂造成失效。一些研究顯示：在撞擊、跌落測試中，用無鉛焊料裝配的結果比較差。非常長期的可靠性也較不確定。據(jù)美國偉創(chuàng)立、Agilent等公司的可靠性試驗，例如推力試驗、彎曲試驗、振動試驗、跌落試驗，經(jīng)過潮熱、高低溫度循環(huán)等可靠性試驗結果，大體上都有一個比較相近的結論：大多數(shù)消費類產品，例如民用、通信等領域，由于使用環(huán)境沒有太大的應力，無鉛焊點的機械強度甚至比有鉛的還要高；但在使用應力高的地方，例如軍事、高低溫、低氣壓、震動等惡劣環(huán)境下，由于無鉛蠕變大，因此無鉛比有鉛的連接可靠性差很多。 錫晶須問題晶須（Whisker）是指從金屬表面生長出的細絲狀、針狀形單晶體，它能在固體物質的表面生長出來，發(fā)生在S n 、Z n 、C d 、A g 等低熔點金屬表面?！?0μm厚度很薄的金屬沉積層表面。型的晶須是直徑為1～10μm，長度為1～500μm 。在高溫和潮濕的環(huán)境里，在有應力的條件下，錫須的生長速度會加快，過長的晶須將可能導致短路，引發(fā)電子產品可靠性問題。由于鍍Sn的成本比較低，因此，目前無鉛元件焊端和引腳表面采用鍍Sn 工藝比較多，但鍍Sn容易形成S須。例如發(fā)生在窄間距QFP等元件引腳上的晶須容易造成短路，對電氣可靠性存在隱患。無鉛產品錫須生長的機會和造成危害的可能性遠遠高于有鉛產品，會影響電子產品的長期可靠性。針對錫晶須問題，業(yè)界做了許多研究，目前已經(jīng)有了一些有效抑制Sn晶須生長的措施，例如：鍍暗Sn、熱處理、中間鍍Ni阻擋層、鍍層合金化、增加鍍Sn層厚度等。 空洞、裂紋及焊接面空洞或稱微孔造成空洞、裂紋的原因很多，主要有以下方面因素：焊接面（P C B 焊盤與元件焊端表面）存在浸潤不良；焊料氧化；焊接界面各種材料的膨脹系數(shù)不匹配，焊點凝固時不平穩(wěn)；再流焊溫度曲線的設置未能使焊膏中的有機揮發(fā)物及水分在進入回流區(qū)前揮發(fā)。無鉛焊料是“高錫”焊料。高錫帶來的問題是：高溫、表面張力大、粘度大。表面張力的增加勢必會使氣體在冷卻階段的外逸更困難，氣體不容易排出來，使空洞的比例增加。因此，無鉛焊點中的氣孔、空洞比較多。另外，由于無鉛焊接溫度比有鉛焊接高，尤其大尺寸、多層板、以及有熱容量大的元器件時，峰值溫度往往要達到260℃左右，冷卻凝固到室溫的溫差大，因此，無鉛焊點的應力也比較大，產生焊點裂紋的幾率也比有鉛焊點高。再加上無鉛焊點常形成相對較脆的金屬間化合物（IMC），IMC的熱膨脹系數(shù)比較大，在高溫工作或強械沖擊下容易產生開裂。另一類處于焊接界面的空洞（或稱微孔），這類空洞非常小，甚至只有通過掃描電子顯微鏡（S E M ）才能發(fā)現(xiàn)。空洞的位置和分布可能會是造成電連接失效的潛在原因。特別是功率元件空洞會使元件熱阻增大，造成失效。研究表明：焊接界面的空洞（微孔）主要是由于C u 的高溶解性造成的。由于無鉛焊料的熔點高，而且又是高Sn焊料，Cu在無鉛焊接時的溶解速度比SnPb焊接時高許多。無鉛焊料中銅的高溶解性會在銅與焊料的界面上產生“空洞”，隨著時間的推移，這些空洞有可能會削弱焊點的可靠性。 金屬間化合物的脆性焊接后要使焊點具有一定的連接強度，必須生成金屬間結合（合金）層，此結合層由共晶體、固溶體、金屬間化合物的混合物組成。金屬間化合物（I M C ）通常是凝固時在焊接點的界面析出，因此，IMC位于母材（被焊金屬）與釬料（焊料合金）的界面。金屬間化合物與母材以及釬料的結晶體、固溶體相比較，強度是最弱的。其原因是：金屬間化合物是脆性的，與基板材料、焊盤、元器件焊端之間的熱膨脹系數(shù)差別很大，容易產生龜裂造成失效。因此，釬縫中不可能沒有金屬間化合物，但不能太厚。過多的金屬間合物對焊點的性能是不利的。有研究表明，無鉛釬料與Sn37Pb釬料最大的不同是：在再流焊和隨后的熱處理及熱時效（老化）過程中金屬間化合物會進一步長大，從而影響長期可靠性。從以上分析中可以得到一個結論：無鉛焊接的溫度高，金屬間化合物生長速度快；在隨后的熱處理（峰值溫度至爐子出口的時間長）也容易增加IMC的厚度；在老化過程中金屬間化合物會進一步長大。由于金間化合物是脆性的，過厚的IMC容易造成電氣和機械連接的失效。為了控制金屬間化合物的厚度不要太厚，設置溫度曲線時應盡量考采用較低的峰值溫度和較短的峰值溫。度持續(xù)時間，同時還要縮短液相時間。因此，無鉛焊接的工藝窗口非常窄?？傊?，溫度過低、潤濕性差，影響擴散的發(fā)生，影響焊點連接強度；溫度過高，金屬間化合物過多，也會影響焊點連。 機械震動失效有關實驗證明：在機械震動、跌落或電路板被彎曲時，SnAgCu焊點的失效負載還不到SnPb合金焊的一半。也就是說，如果SnPb焊點震動失效的最大加速度為20g，頻率為30Hz次數(shù)，而SnAgCu焊點震動失效的最大加速度不到10g，頻率不到15Hz次數(shù)； ，而S n A g C u 。造成無鉛焊點機械震動失效的主要原因如下：第一．脆弱的金屬間化合物、空洞；第二，由于SnAgCu比SnPb更硬而傳遞了更大的應力,容易在焊點和界面產生裂紋；第三，因更高的回流焊接溫度而導致的電路板降級等因素，使疲勞失效無法得到徹底的控制。近年來為了改善無鉛CSP焊點的脆性，例如手機中原來不需要底部填充的CSP也采用底部填充技術來增其連接強度。經(jīng)過底部填充的便攜電子產品的抗震動、抗跌落強度提高了，但也帶來了返修困難，甚至無法返修的問。 電子產品在加電使用過程中會發(fā)熱，特別是功率元件的工作溫度比較高；另外，一年四季隨著春夏秋冬的溫度變化，焊點會隨時遭遇到不同的循環(huán)熱應力的影響，在有空洞及裂紋等電氣連接比較薄弱的部位會使熱阻增大，造成失效；另外，由于與焊點相關的材料：例如焊點上的焊料合金、金屬間化合物、各種元件的焊端合金（Cu、i等）、PCB焊盤（Cu）、陶瓷體元件、環(huán)氧樹脂、玻璃纖維布等材料，以及PCB的X 、Y方向與Z方向的熱膨脹系數(shù)的差異是很大的，在溫度變化時會遭受到不同程度的應力、應變，使焊點產生疲勞裂紋，隨著裂紋的擴展最終造成焊點開裂失效。這種熱循環(huán)疲勞。 電氣可靠性通常同一塊PCB要經(jīng)過回流焊、波峰焊、返修等工藝。很可能形成不同的殘留物，在潮濕環(huán)境和一定電壓下，可能會與導電體之間發(fā)生電化學反應，引起表面絕緣電阻（SIR）的下降。如果有電遷移和枝狀結晶生長的出現(xiàn)，將發(fā)生導線間的短路，造成電遷移俗稱“漏電”）的風險。為了保證電氣可靠性，需要對不同免清洗助焊劑的性能進行評估，同一塊PCB要盡量采用相同的助焊劑，或進行焊后清洗處理。 無鉛焊接可靠性討論小結通過對焊點機械強度、錫須、空洞、裂紋、金屬間化合物的脆性、機械震動失效、熱循環(huán)失效、電氣可靠性7個方面的可靠性分析來看，以上任何一種失效更容易發(fā)生在焊后就存在金屬間化合物厚度過薄、過厚；焊點內部或界面存在空洞與微小裂紋；焊點潤濕面積?。ㄔ付伺c焊盤搭接尺寸偏?。?；以及焊點的微觀結構、結晶顆粒大、內應力較大的各種缺陷的焊點上。有些缺陷能夠通過目視、A O I 、Xray檢查是可以檢測到的，例如焊點搭接尺寸小、處于焊點表面的氣孔、較明顯的裂紋等，但是，焊點的微觀結構、內應力、內部空洞和裂紋、特別是金屬間化合物的厚度，這些隱蔽的缺陷用肉眼是看不見的，無論通過SMT的人工和自動檢查，都無法檢測到。都需要經(jīng)過一系列試驗，例如溫度循環(huán)、振動試驗、跌落試驗、高溫貯存試驗、濕熱試驗、電遷移（E C M ）試驗、高加速壽命試驗和高加速應力篩選，然后再進行電性能、機械性能（例如焊點剪切強度、抗拉強度）測試。最后通過外觀檢查、X 射線透視檢查、金相切片、掃描電子顯微鏡等各種可靠性試驗和分析，才能作出判斷。 隱蔽的缺陷使無鉛產品的長期可靠性增加了不確定的因素因為這些隱蔽的缺陷不容易被發(fā)現(xiàn)，往往不被重視。它們的可靠性都是隨著時間的推移、在使用過程中由于受到機械震動、跌落或電路板被彎曲；受到環(huán)境溫度、工作溫度的循環(huán)熱應力等因素的影響逐漸削弱的。這些隱蔽的缺陷增加了無鉛產品長期可靠性的不確定性，因此，目前高可靠產品獲得了豁免。 影響無鉛產品長期可靠性的因素以上分析中比較清楚地看出：無論是看得見的缺陷、還是隱蔽的缺陷，都是由于無鉛的高錫、高溫、工藝窗口小、潤濕性差、材料相容性問題，以及設計、工藝、管理等等因素造成的。因此，我們必須從無鉛產品的設計開始就要考慮到無鉛焊接材料之間的相容性、無鉛與設計、無鉛與工藝的相容性；充分考慮散熱問題；仔細地選擇PCB板材、焊盤表面鍍層、元件、焊膏及助焊劑等；比有鉛焊接時更加細致地進行