【正文】 尺寸偏?。灰约昂更c(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)晶顆粒大、內(nèi)應(yīng)力較大的各種缺陷的焊點(diǎn)上。如果有電遷移和枝狀結(jié)晶生長(zhǎng)的出現(xiàn)，將發(fā)生導(dǎo)線間的短路，造成電遷移俗稱“漏電”）的風(fēng)險(xiǎn)。 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。 電子產(chǎn)品在加電使用過程中會(huì)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(diǎn)會(huì)隨時(shí)遭遇到不同的循環(huán)熱應(yīng)力的影響，在有空洞及裂紋等電氣連接比較薄弱的部位會(huì)使熱阻增大，造成失效；另外，由于與焊點(diǎn)相關(guān)的材料：例如焊點(diǎn)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(shí)會(huì)遭受到不同程度的應(yīng)力、應(yīng)變，使焊點(diǎn)產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展最終造成焊點(diǎn)開裂失效。近年來為了改善無鉛CSP焊點(diǎn)的脆性，例如手機(jī)中原來不需要底部填充的CSP也采用底部填充技術(shù)來增其連接強(qiáng)度。也就是說，如果SnPb焊點(diǎn)震動(dòng)失效的最大加速度為20g，頻率為30Hz次數(shù)，而SnAgCu焊點(diǎn)震動(dòng)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 ?？傊瑴囟冗^低、潤(rùn)濕性差，影響擴(kuò)散的發(fā)生，影響焊點(diǎn)連接強(qiáng)度；溫度過高，金屬間化合物過多，也會(huì)影響焊點(diǎn)連。度持續(xù)時(shí)間，同時(shí)還要縮短液相時(shí)間。由于金間化合物是脆性的，過厚的IMC容易造成電氣和機(jī)械連接的失效。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(shí)效（老化）過程中金屬間化合物會(huì)進(jìn)一步長(zhǎng)大，從而影響長(zhǎng)期可靠性。因此，釬縫中不可能沒有金屬間化合物，但不能太厚。金屬間化合物與母材以及釬料的結(jié)晶體、固溶體相比較，強(qiáng)度是最弱的。 金屬間化合物的脆性焊接后要使焊點(diǎn)具有一定的連接強(qiáng)度，必須生成金屬間結(jié)合（合金）層，此結(jié)合層由共晶體、固溶體、金屬間化合物的混合物組成。由于無鉛焊料的熔點(diǎn)高，而且又是高Sn焊料，Cu在無鉛焊接時(shí)的溶解速度比SnPb焊接時(shí)高許多。特別是功率元件空洞會(huì)使元件熱阻增大，造成失效。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)。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(shí)，峰值溫度往往要達(dá)到260℃左右，冷卻凝固到室溫的溫差大，因此，無鉛焊點(diǎn)的應(yīng)力也比較大，產(chǎn)生焊點(diǎn)裂紋的幾率也比有鉛焊點(diǎn)高。表面張力的增加勢(shì)必會(huì)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。無鉛焊料是“高錫”焊料。針對(duì)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(zhǎng)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。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(duì)電氣可靠性存在隱患。在高溫和潮濕的環(huán)境里，在有應(yīng)力的條件下，錫須的生長(zhǎng)速度會(huì)加快，過長(zhǎng)的晶須將可能導(dǎo)致短路，引發(fā)電子產(chǎn)品可靠性問題?！?0μm厚度很薄的金屬沉積層表面。據(jù)美國偉創(chuàng)立、Agilent等公司的可靠性試驗(yàn)，例如推力試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)，經(jīng)過潮熱、高低溫度循環(huán)等可靠性試驗(yàn)結(jié)果，大體上都有一個(gè)比較相近的結(jié)論：大多數(shù)消費(fèi)類產(chǎn)品，例如民用、通信等領(lǐng)域，由于使用環(huán)境沒有太大的應(yīng)力，無鉛焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度甚至比有鉛的還要高；但在使用應(yīng)力高的地方，例如軍事、高低溫、低氣壓、震動(dòng)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。一些研究顯示：在撞擊、跌落測(cè)試中，用無鉛焊料裝配的結(jié)果比較差。因?yàn)殂U是比較軟的，容易變形，因此無鉛焊點(diǎn)的硬度比Sn/Pb高，無鉛焊點(diǎn)的強(qiáng)度也比Sn/Pb高，無鉛焊點(diǎn)的變形比Sn/Pb焊點(diǎn)小，但是這些并不等于無鉛的可靠性好。目前國際上對(duì)于無鉛產(chǎn)品、無鉛焊點(diǎn)可靠性問題（包括測(cè)試方法）還在最初的研究階段，無鉛焊點(diǎn)的長(zhǎng)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(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性，到目前為止國際上也還沒有完全研究清楚。這些問題都會(huì)影響無鉛產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性。高錫帶來的問題是：高溫、表面張力大、粘度大、浸潤(rùn)性差、工藝窗口小等問題。Sn須在窄間距的QFP等元件處容易造成短路，會(huì)影響長(zhǎng)期可靠性；另外， SnAgCn焊料與Cn 焊接時(shí)，遇到微量Pb會(huì)發(fā)生偏析現(xiàn)象，容易引起焊縫浮起（FilletLifting），也會(huì)影響長(zhǎng)期可靠性。在同一塊組裝板上，如果有一個(gè)元件、甚至只有一個(gè)焊點(diǎn)不相容，都可能造成整個(gè)電路的故障。雖然無鉛接過程、焊接機(jī)理與Sn37Pb基本相同。而無鉛焊接在發(fā)達(dá)國家也只有十幾年的應(yīng)用史，對(duì)無鉛焊接的可靠性研究只有近十年的時(shí)間，世界各國研究機(jī)構(gòu)對(duì)無鉛焊接機(jī)理、對(duì)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(duì)無鉛焊點(diǎn)可靠性等方面還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，無鉛焊點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性還有待進(jìn)一步研究。從形成焊點(diǎn)的3個(gè)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(shí)，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(shí)焊料合金與被焊接的金屬之間的相容性非常好。尤其是當(dāng)前無鉛焊接材料、印制板、元器件、檢測(cè)、可靠性等方面的標(biāo)準(zhǔn)還不完善，甚至可靠性的測(cè)試方法也沒有標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可靠性是非常讓人們擔(dān)憂的。今后為了保護(hù)資源，在焊料的處理上應(yīng)有大規(guī)模的再利用基礎(chǔ)。反過來，在無鉛焊料中當(dāng)混入有鉛的渣滓時(shí)同樣也不能利用，所以嚴(yán)格禁止相互混合。 今后的一個(gè)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(chǎn)出的渣滓的再利用。但溫度太過則錫粘附在烙鐵頭上而立即不能使用了。還有焊劑的含量比原來的3%稍微多一點(diǎn)則容易手工操作。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?；烊胛⒘康匿\時(shí)，由焊料表面所形成的氧化膜產(chǎn)生大量的殘?jiān)?，使焊接無論如何也不能正常進(jìn)行。圖47連續(xù)使用SH100C與SH100Ce的場(chǎng)合銅濃度的變化焊料的雜質(zhì)中即使混入少量的鉛，也會(huì)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。對(duì)此，分別使用SN1000C和SN1000Ce焊料，通過抑制銅的濃度上升來使焊料成分穩(wěn)定化。例如銅在焊料中的濃度隨處理銅片數(shù)而增加，隨之使焊料的流動(dòng)性變壞成為橋連和焊不上的病因。 此外在流動(dòng)焊中，與焊料接觸處的銅箔和引角等一根接一根的溶入焊料中，使焊料的成分發(fā)生了變化。盡管原因是復(fù)雜的，但主要是由于無鉛焊料不能像有鉛焊料那樣可以緩解由熱循環(huán)等焊料與器件和基板的熱膨脹差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，導(dǎo)致該應(yīng)力破壞通孔，切斷配線。此外還必須注意由鋅的性質(zhì)帶來的連接界面的舉動(dòng)，再作深入研究。但是，該焊料在大氣中溶解時(shí)，表面將形成厚的鋅的氧化膜，必須使用氮基氣氛，或使用能溶解鋅氧化膜的強(qiáng)活性焊劑，才能確保焊接質(zhì)量。最近的研究證實(shí)，鉍含量在3%以下為宜。這是考慮了鉍可以緩解錫與母材的過剩合金反應(yīng)，但反過來也使連接界面變硬變脆。SnAgBi(Cu)系焊料隨著鉍含量的增加而融點(diǎn)變低，焊料的延展性也得到改善。另外與SnPb焊料同樣，不形成金屬間化合物，所以表面張力低，擴(kuò)展性和流動(dòng)性好。這就為無鉛焊料替換時(shí)期設(shè)想回收途徑減少了煩惱。除了基板組裝用途外，還將用于電子產(chǎn)品鍍錫和用錫整平基板的產(chǎn)品（見圖45）。熱循環(huán)次數(shù)（次）圖45混入鉛對(duì)熱循環(huán)的影響圖46 NSe無鉛焊接循環(huán)圖還有，對(duì)焊劑的改善工作也在進(jìn)行，以便在大氣中與在氮?dú)鈿獾型瑯涌梢酝瓿稍诙鄬踊螂p面基板上的通孔攀升和在器件兩側(cè)的焊盤上的擴(kuò)展。盡管熔點(diǎn)為227℃，但與原來大致相同，可以在255℃、4秒的焊接條件下工作，安裝攝像機(jī)布線基板，在世界上成績(jī)突出。正如圖43那樣，在細(xì)間距QFP的IC流動(dòng)焊中無橋接現(xiàn)象，也沒有無鉛焊料專有的針狀晶體和氣孔，得到了有光澤的焊角。由于SnCu系焊料構(gòu)成簡(jiǎn)單，供給性好且成本低，因此大量用于基板的流動(dòng)焊（波峰焊）、浸漬焊，適合作松脂心軟焊料。由于哪個(gè)權(quán)力均有效，所以若使用雙方專利權(quán)均容許的焊料，則用戶才會(huì)放心，并有可能向任一國家出售。該組合焊料在國外有相似的專利，日本企業(yè)所有的“高溫焊料”專利與美國大學(xué)的所有“錫銀銅三元共晶焊料”專利，在成分組合上存在重復(fù)的權(quán)力范圍，使應(yīng)用陷入窘境。圖42 SC96C1無鉛再流焊曲線 (推薦)通常在再流焊的連接斷面，不知是因?yàn)楹噶先廴跁r(shí)的粘性大，還是因?yàn)閮?nèi)部產(chǎn)生的氣體多，總之在焊角處和連接界面發(fā)現(xiàn)許多的氣泡（空洞）。不僅探討了強(qiáng)度與延展率均衡的高可靠性的材料SnAgCu系焊料，還主要探討了與共晶相近的焊料成分SnAgBi系焊料，同時(shí)還探討了相關(guān)的再流焊技術(shù)。表41典型的無鉛焊料的特征合金系名稱主成分熔　點(diǎn)(℃) 抗拉強(qiáng)度100mm/min擴(kuò)展率(%)潤(rùn)濕性(大氣中)錫銀系Sn96Sn/Ag約22133良好錫銀銅系Sn96ClSn/Ag/Cu約21727良好錫銀系Sn100CSn/Cu/Ni約22748良好錫鉍系Bi57Sn/Bi約13933良好錫鉍銻系LFB2Sn/Bi/Sb等約1442004良好錫銀鉍銅系LF－C2Sn/Ag/Bi/Cu約20821325良好錫鋅系LFASn/Zn約199gi vb 錫銻系95ASn/Sb23624338良好1)錫銀銅系(Sn96C)及錫銀鉍銅系(LFC2)是通過美國某研究所檢驗(yàn)的產(chǎn)品；2)錫銀系(Sn100C)在國內(nèi)外32個(gè)國家申請(qǐng)專利；3)潤(rùn)濕性試驗(yàn)使用RMA免清洗助焊劑。所以，開始使用的仍是那些為數(shù)很少的有實(shí)際使用價(jià)值的焊料。此外，對(duì)專利和成本的評(píng)價(jià)也不可欠缺，無論缺哪一個(gè)，都不能成為放心的永久使用的材料。實(shí)際上，應(yīng)根據(jù)焊料應(yīng)用時(shí)的可靠性和成分變動(dòng)以及雜質(zhì)的混入來分析特性的變化，這是至為重要的。否則，將不能保證連接處的可靠性，并引來麻煩。同時(shí)，還必須改進(jìn)制造設(shè)備，并重新探討連接基材的表面處理。因此，開發(fā)了以在錫中組合進(jìn)銀和鉍，鋅為主成分的合金焊料。從多年來對(duì)無鉛焊料的研究來看，其合金成分基本上如圖41所示的組合，到目前為止，多數(shù)研究是通過改變含量來謀求高性能的優(yōu)質(zhì)材料，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了若干個(gè)添加元素，對(duì)提高材料強(qiáng)度和連接特性有效，并有研究成果面世。而且為避免鉛的污染，在焊料替換時(shí)還要用錫來沖洗鉛污染的焊料槽，所以又要用掉大量的錫。盡管無鉛焊料的密度比原來的共晶焊料輕10%～20%，把重量減輕的因素考慮在內(nèi)，但每年仍需要20萬噸原料來生產(chǎn)無鉛焊料。按照通常錫在焊料中占60%計(jì)算，每年新的焊料年產(chǎn)量應(yīng)為10萬噸，剩下的13萬噸都是由殘?jiān)?jīng)再利用的焊料。目前焊料的世界年產(chǎn)量為23萬噸，廣泛用于金屬連接和表面處理鍍覆等方面。簡(jiǎn)單分析無鉛焊料通孔焊環(huán)面填錫體所發(fā)生的開裂情形，其原因應(yīng)該是無鉛焊料在X，Y方向（平行板面方向）的熱膨脹系數(shù)大于基板，而基板在Z 方向（垂直板面方向）的熱膨脹系數(shù)又大于無鉛焊料，于是在冷卻收縮過程中會(huì)受到雙重剪應(yīng)力作用，而導(dǎo)致開裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。⑴貴（金屬In的價(jià)格太高）；⑵In的合金焊料在溫度循環(huán)試驗(yàn)中表現(xiàn)出界面凹凸異常的現(xiàn)象；⑶與鍍Pb元器件兼容性差，易由溶Pb引起焊點(diǎn)剝離。合金強(qiáng)度隨In添加量的增加而逐漸提高，而蠕變性則在In質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)最好，過量或不足都會(huì)使該性能下降。另外，添加過多的金屬Bi會(huì)明顯降低金屬延伸率。但由于Bi是半金屬，又脆又硬，如果形成粗大的組織會(huì)使機(jī)械性能劣化。但是熔點(diǎn)過高始終是SnAg合金的一個(gè)致命弱點(diǎn)。并已有實(shí)驗(yàn)證明，在乙醇松香中加入少量SnCl 2作為助焊劑可大大改善SnZn對(duì)銅的浸潤(rùn)性）；⑶Cu基體接合部位抗高溫高濕強(qiáng)度較弱，原因是SnZn焊料與Cu的結(jié)合界面形成很薄的CuZn化合物層，在150℃時(shí)，界面反應(yīng)快速進(jìn)行，Cu Zn化合物層容易受到侵蝕穿孔，Sn向Cu中擴(kuò)散，在形成SnCu化合物層的同時(shí)產(chǎn)生許多空洞。 SnZn優(yōu)點(diǎn)⑴SnZn系焊料的熔點(diǎn)大致在198℃，與現(xiàn)在通用的SnPb共晶焊料的熔點(diǎn)183℃很接近，兩者的工藝設(shè)備可以共享；⑵溶化溫度區(qū)間（固相線和液相線的溫度差）窄；⑶原材料價(jià)格便宜，而且礦產(chǎn)資源豐富；⑷連接強(qiáng)度高。目前，添加3%Bi的SnZn合金已達(dá)到實(shí)用化，但二次返修時(shí)，會(huì)發(fā)生類似脫焊的現(xiàn)象。今后，將進(jìn)一步通過耐蝕性的評(píng)價(jià)等，提高可靠性，加以推廣。 SnZn（Bi）系在幾種常見的無鉛焊料中，SnZn共晶焊料的熔點(diǎn)與SnPb焊料最為接近，因此目前對(duì)于SnZn焊料的研究也較為廣泛。⑴熔融溫度高。但由于存在基板的耐熱性以及與鍍Pb元器件的兼容性等問題。為了改善其可靠性，可添加Ag，Au，Ni等第3元素，使組織微細(xì)化、穩(wěn)定化。因此，Sn Cu焊料的熱疲勞和可靠性等還有待證實(shí)。這種合金由于形成Cu6Sn 5的微細(xì)彌散相而獲得很高的初期強(qiáng)度，目前是波峰焊及手工焊中推薦使用的無鉛焊料的第二替補(bǔ)。有研究認(rèn)為，空洞的形成與焊料與導(dǎo)線及焊料與基板的界面狀態(tài)有關(guān)。對(duì)于雙面基板的組裝，需要采取措施提高通孔的浸潤(rùn)性，如控制波峰焊參數(shù)，采用氮?dú)獗Ｗo(hù)性氣氛等都相當(dāng)有效 ；⑶熔點(diǎn)高，導(dǎo)致它與現(xiàn)在廣泛使用的基板材料不相容，而且返修也不得不采用高溫，這將大大增加基板損壞的可能性；⑷慢冷時(shí)焊接處容易形成孔洞。 SnAgCu優(yōu)點(diǎn)⑴由于合金中彌散分布有微細(xì)的Ag 3Sn和Cu6Sn5等金屬間化合物強(qiáng)化相，因此可實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的機(jī)械性能和高溫穩(wěn)定性；⑵溶化溫度區(qū)間（固相線和液相線的溫度差）窄；⑶SnAgCu焊料可以滿足各種形狀需要