5A版無鉛焊PCB裝配的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

1、7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔無鉛焊 PCB 裝配的挑戰(zhàn)與機(jī)遇清華偉創(chuàng)力偉創(chuàng)力 SMT 實(shí)驗(yàn)室王豫明王天曦編譯摘要本文概述了無鉛焊接中所遇到的問題。 PCB 裝配的問題包括焊料合金的特 性、冶金學(xué)反應(yīng)、焊膏要求、對 PCB/元器件的影響、電 / 機(jī)械性能的可靠性。工 藝方面問題包括回流焊、波峰焊、返修，以及質(zhì)量、設(shè)備、成本、設(shè)計(jì)。無鉛的 轉(zhuǎn)換需要仔細(xì)運(yùn)作，工業(yè)界共同廣泛合作才能達(dá)到平滑過渡。關(guān)鍵詞：無鉛焊、 PCB裝配、焊接互連的可靠性、回流焊、波峰焊。前言在過去的十年里， 工業(yè)界花費(fèi)了很多的經(jīng)歷去尋找無鉛合金。 在此之后， 學(xué) 術(shù)界、金融界、電子工業(yè)已經(jīng)廣泛地逐漸轉(zhuǎn)入 PCB 的無鉛焊接。通過壽命循環(huán)

2、 分析，人們對無鉛的優(yōu)點(diǎn)和環(huán)境的受益方面仍有很多的爭議，但就目前的趨勢， 世界范圍內(nèi)，從立法、研發(fā)、商業(yè)運(yùn)作、商業(yè)要求、市場競爭等，無鉛焊料的 PCB 裝配勢在必行，即使從有鉛到無鉛的轉(zhuǎn)換可能是一個(gè)緩慢和逐步的過程。 十年前開始的無鉛工作，重點(diǎn)是對不含 Pb 的合金進(jìn)行鑒別，同時(shí)滿足原共晶 Sn-Pb 合金的基本工藝和性能?，F(xiàn)在已經(jīng)很清楚， PCB 的無鉛裝配幾乎涉及了 電子制造的每一個(gè)領(lǐng)域：材料、工藝、設(shè)計(jì)、元器件、可靠性、質(zhì)量、設(shè)備、成 本。本文概述了無鉛焊料的問題和機(jī)會。圖 1 ：影響電遷移的因素一、材料 1合金特點(diǎn) 無鉛焊料合金必須滿足下列要求： 合金成份中不含鉛或?qū)Νh(huán)境造成關(guān)注的元素

3、。 合金熔點(diǎn)的溫度范圍在 180 230 。7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔合金具有良好的物理特性，如導(dǎo)電性 / 導(dǎo)熱性，潤濕性、表面張力等。 合金具有良好的化學(xué)性能，如腐蝕性、氧化性、殘?jiān)男纬?、電遷移等。 合金的冶金性能良好 合金具有可制造性，容易加工成焊膏、焊條、焊絲形式。合金的成本合理、資源豐富 合金的機(jī)械性能良好。早期的研究工作中，共晶的 Sn-Ag 合金開發(fā)出來作為無鉛焊料?，F(xiàn)在，工 業(yè)界已經(jīng)集中在 Sn-Ag-Cu 三重共晶合金（熔點(diǎn) 217 ）作為回流焊接，或 Sn-Cu 共晶合金（熔點(diǎn) 227Sn-Cu ）用作波峰焊。通常認(rèn)為 Sn-Ag-Cu 合金中， Ag 含 量

4、從 3.0%-4.0% （按照重量百分比）的變化 ,都被認(rèn)為是可接受的合金。其他三 重或四重?zé)o鉛焊料合金也存在，幾乎都以 Sn 作為主要的成分配方，除了某種特 別的合金如 Au-Sn 外。根據(jù)潤濕性、殘?jiān)男纬珊涂煽啃裕?Sn-Cu 僅次于 Sn-Ag-Cu ，然而，它的成 本比 Sn-Ag-Cu 低得多，所以在波峰焊中， Sn-Cu 合金成為很有吸引力的無鉛 替代合金， 特別是對成本敏感的產(chǎn)品。 波峰焊中焊條的成本直接與金屬的成本有 關(guān)，而回流焊中， 金屬成本只是焊膏成本的一部分， 即使很多制造廠商愿意使用 相同的合金焊料 Sn-Ag-Cu 在用一塊 PCB 的兩面回流焊和波峰焊，但大多數(shù)產(chǎn)

5、 品中，一種板的一面用 Sn-Ag-Cu 回流焊，另一面用 Sn-Cu 波峰焊。由于 Sn-Cu 二元金相陡峭的斜率 （在液相線上合金成分每百分之一的改變， 溫度變化 30 ， 約 Sn-Pb 斜率的 20 倍），因此 Sn-Cu 焊料槽中的化學(xué)成分需要密切的控制， 好 幾種 Sn-Cu 合金也被介紹，包括 Ag 、 Ni 、和其他合金元素。Sn-Zn 共晶合金提供了相對較低的熔點(diǎn)溫度（ 189 ）和有利的機(jī)械性能，由于 在波峰焊接時(shí)殘?jiān)纬闪看?，限制了?Zn 合金的波峰焊使用，但是可以考慮回 流焊中使用，這仍有很多工作需要去做，如配制一種可行的免清洗的 Sn-Zn 合7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7

6、A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔金焊膏，且焊膏的擱架壽命能達(dá) 6 個(gè)月。 Sn-Bi 共晶合金（或各種變化合金如添 加 Ag 等）提供了較低的熔點(diǎn)溫度（約 138 ），在熱機(jī)械負(fù)載時(shí)具有良好的可 靠性，可以選作適當(dāng)?shù)膽?yīng)用。2無鉛合金定義當(dāng)我們實(shí)施無鉛焊實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 無鉛合金的定義仍是一個(gè)討論的題目； 流行 的觀點(diǎn)和工業(yè)上相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是：鉛含量 0.10.2wt （大多數(shù) 0.1 ）以下，其 他元素（如 Ag 、Cu ）的含量公差為 0.2為無鉛。 通過商業(yè)協(xié)會團(tuán)體（如 IPC）的大多數(shù)的意見，根據(jù) Sn-Ag-Cu 合金，在無鉛焊 料成分的標(biāo)準(zhǔn)化方面也做了一些努力。這些努力也有助于無鉛批量化生產(chǎn)的轉(zhuǎn) 變。3冶

7、金性能和兼容性對 Sn-Ag 和 Sn-Ag-Cu 合金的物理性能和機(jī)械性能已進(jìn)行了大量的研究。 人們已經(jīng)很好地認(rèn)識到 Bi 含量的合金與 Sn-Pb 合金元件端頭之間的兼容性問 題，通過在 97 形成三元 Sn-Pb-Bi 合金，只是沒有得到更精確的數(shù)量問題。 大多數(shù)人認(rèn)為，無鉛焊料 PCB 裝配的轉(zhuǎn)變將是一個(gè)逐步的過程，在這個(gè)轉(zhuǎn)變期 間，許多產(chǎn)品的裝配可能是使用無鉛焊料和有鉛引腳元件。在“無鉛”焊點(diǎn)中， 鉛的含量可能來源于元件的引腳或 BGA 的焊球。對于波峰焊，由于元件引腳 Pb-Sn 電鍍層不斷融解， 焊點(diǎn)中鉛的含量需要進(jìn)行監(jiān)視。 無鉛焊料中的 Pb 對長 期可靠性的影響是一個(gè)課題，需

8、要更進(jìn)一步研究。初步的研究顯示，焊點(diǎn)中 Pb 含量的不同對可靠性的影響是不同的，當(dāng)含量在某一個(gè)中間范圍時(shí)，影響最大， 這是因?yàn)樵谧詈竽绦纬山Y(jié)晶時(shí)， 在 Sn 枝界面處，有偏析金相 （如粗狀 Pb 枝） 形成，這些偏析金相在循環(huán)負(fù)載下開始形成裂紋并不斷擴(kuò)大。例如：2 5的 Pb 可以決定無鉛焊料的疲勞壽命，但與 Sn-Pb 焊料相比，可靠性相差不大。 4助焊劑7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔免清洗 Sn-Pb 焊膏已經(jīng)使用了多年，而且已是成熟的技術(shù)。早期無鉛焊膏 的做法是簡單地將免清洗焊劑（為有 Pb-Sn 研發(fā)的）和無鉛合金混合，結(jié)果很 慘。故為了能兼容無鉛合金的特性， 無鉛焊劑必須

9、專門配制。 焊膏中助焊劑和焊 料合金間的化學(xué)反應(yīng)影響了焊膏的流變特性（對印刷性能至關(guān)重要） 。無鉛焊料 和鉛錫焊料之間的密度差異意味著無鉛焊膏中金屬含量的不同， 無鉛需要的焊接 溫度越高，要求焊劑在更高溫時(shí)有更大的穩(wěn)定性?；亓骱负螅鶕?jù)ICT（電路測試）探針能力和電遷移，助焊劑殘?jiān)彩强紤]的重要因素。 類似地，免清洗焊劑和無 VOC （揮發(fā)性有機(jī)化合物）焊劑需要特殊配制用于波 峰焊中，無鉛焊膏和波峰焊應(yīng)用中的水溶性焊劑對某些產(chǎn)品也是需要的。圖 2 ：無鉛焊膏中助焊劑的化學(xué)成分將被重新配制5PCB 無鉛焊料裝配中涉及 PCB 的有好幾個(gè)問題。 PCB焊盤的表面處理一般采用熱風(fēng) 整平工藝（ HAS

10、L ），尋找一種替代 HASL 的工藝已經(jīng)好幾年了， 主要因?yàn)?HASL 表面處理在質(zhì)量上固有的矛盾。例如 HASL 的厚度（涉及可靠性）很難控制；在 涂覆薄薄一層 HASL 的焊盤面積上，通過形成 Sn-Cu 金屬間化合物使錫消耗， 結(jié)果產(chǎn)生不可潤濕的焊盤面積， 導(dǎo)致不潤濕或反潤濕。 HASL 是典型的非平坦（擁 有園頂形） 表面，印刷焊膏時(shí)很難得到均勻一致的焊膏量， 很難貼裝細(xì)間距元件 （小于 25mil ）。HASL 工藝本身并不是和某些電鍍工藝一樣清洗和容易控制。 無鉛焊料的運(yùn)動提供了附加的推動力，使 HASL 朝無鉛表面處理方向發(fā)展。 無鉛 HASL ，在 Pb-Sn 的地方使用某些

11、無鉛合金，在商業(yè)上已開始使用?；瘜W(xué) 鍍 Ni 和浸金（ ENIC ）提供了良好的可焊性而且用于大多數(shù)接觸或開關(guān)的地方， 然而，嚴(yán)格的工藝控制是必須的，為了防止災(zāi)難性的“黑焊盤”故障。對于較高 端的應(yīng)用，電解 Ni/Au 提供了更可靠的表面處理，一定要限定 Au 層的厚度， 因?yàn)樘嗟?Au 溶解到焊點(diǎn)里（無論是 Sn-Pb 還是 Sn-Ag-Cu ）都將引起金脆。7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔當(dāng)然電解 Ni/Au 比 ENIG 表面處理更貴。浸銀工藝（ IAg ）是目前使用更多、 成本更低廉的替代工藝，而且更為廣泛地被工業(yè)界接受。它的可焊性、 ICT 可探 測性、以及接觸 / 開關(guān)焊

12、盤的性能不如 Ni-Au ，但對于大多數(shù)應(yīng)用確已足夠。對 于 IAg ，精確的化學(xué)配方、厚度、表面平整度、以及銀層內(nèi)有機(jī)元素的分布， 都必須仔細(xì)選擇和規(guī)定， 所有的替代工藝都必須使用于有鉛和無鉛兩種工藝。 最 傳統(tǒng)最經(jīng)濟(jì)的工藝，有機(jī)保護(hù)焊劑（ OSP）具有局限性，這是根據(jù)大量的熱暴露 循環(huán)，特別是無鉛要求的焊接溫度下，而得到的結(jié)論。圖3 浸銀表面處理作為節(jié)約成本的工藝PCB 另外一個(gè)重要的問題是它的熱穩(wěn)定性。 當(dāng)焊接溫度增加時(shí)， Z 軸的 CTE（熱 膨脹系數(shù)）與 GY方向的層壓材料、玻璃纖維、以及 Cu之間的 CTE不匹配，將 在 Cu 上產(chǎn)生很大的應(yīng)力，潛在引起電鍍過孔產(chǎn)生裂紋而失效。這是

13、一個(gè)相當(dāng)復(fù) 雜的問題，因?yàn)樗Q于很多變量，如 PCB 的層數(shù)、厚度、層壓材料、焊接曲 線、以及 Cu 的分布、過孔的幾何形狀（如縱橫比）等。無鉛焊接來講， PCB 還 有很多問題需要解決：相對于傳統(tǒng)的 FR4 而言，什么條件下、采用用何種替代 層壓板材料（如高 Tg、低CTE）等都需要決定。這不是說低成本的材料（如 CEM、 FR2 等）不能用于無鉛焊接；事實(shí)上，這種應(yīng)用確實(shí)存在于大批量生產(chǎn)中。 另外，與無鉛焊料平行發(fā)展的是朝無鹵素層壓板的方向發(fā)展， 而且它們可能獨(dú)立 地進(jìn)行。二、工藝 1焊膏性能評估即使是相同的焊料合金，根據(jù)配方的不同，焊膏的性能可能有很大的差異 （18）。正如前面提到的，

14、早先將 Sn-Pb 焊膏的助焊劑與 SAC 焊粉簡單地混合配 制，通常不能提供優(yōu)質(zhì)的無鉛焊膏， 為了對不同的供應(yīng)商提供的無鉛焊膏進(jìn)行評 估，必須設(shè)計(jì)一種測試板， 它有多個(gè)測試區(qū)域用于多種測試目的， 如不同面積比7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔的可印刷性、塌陷測試、潤濕測試、焊球測試、 SIR 測試等，它們都按照 IPC-TM-650 的測試方法進(jìn)行測試。根據(jù)可印刷性、粘性、塌陷以及焊球 （19 ）來比較 Sn-Pb 和無鉛焊膏， Sn-Pb 焊 膏和無鉛焊膏沒有明顯一致的差異， 這是因?yàn)檫@些性能是根據(jù)焊膏的配方， 而不 是直接與焊料合金有關(guān)。然而，在潤濕性方面， Sn-Pb 焊膏和無鉛

15、焊膏就有明 顯一致的差異。無論是 Sn-Pb 焊膏還是無鉛焊膏，在 OSP上的潤濕性不及 Ni/Au 的，但無鉛焊膏與 Sn-Pb 焊膏的潤濕性有很大的差異，一般來講，無鉛焊膏在 OSP 和 Ni/Au 上的潤濕性沒有 Sn-Pb 焊膏好。無鉛焊膏在 OSP 上回流焊接時(shí) 其擴(kuò)展性非常有限， 回流后暴露的邊角很普遍， 除非整個(gè)焊盤印上焊膏。 在早期 的研究報(bào)告中指出，與 Sn-Pb 免清洗焊膏和無鉛免清洗焊膏之間潤濕性的差異 相比較， 7 種不同無鉛焊膏之間的潤濕性的差異相當(dāng)小， 而有鉛和無鉛潤濕性差 異大，這種差異確實(shí)是由于焊料合金引起的，這和 SAC 和 Sn-Pb 焊料合金之間 表面張力

16、和潤濕特性的不同相一致。另外，需要專門的助焊劑配制無鉛焊膏。 2回流焊工藝回流曲線的關(guān)鍵參數(shù)是峰值溫度。需要足夠的回流溫度將焊料融化、回流 / 潤濕以及焊盤上的 Cu 或元件端子相互作用， 當(dāng)冷卻固化時(shí)形成強(qiáng)健的金屬間化 合物結(jié)合層。典型過熱要求在熔點(diǎn)溫度以上 30 。對于無鉛焊料，由于關(guān)心元 件的熱穩(wěn)定性（將在下面下節(jié)詳細(xì)討論） ，需要努力將焊接溫度減至小。 對于 SAC 合金共晶溫度 217 ，考慮工藝強(qiáng)度、產(chǎn)量、元件表面處理的變化、爐的熱穩(wěn)定 性和公差等，批量回流焊時(shí)最小的峰值溫度應(yīng)為 235 ，駐留時(shí)間（ TAL，液態(tài) 以上溫度時(shí)間）典型值 40 90 秒?；亓髑€可能有一個(gè)直的斜率，

17、或?yàn)榱嗽谡?個(gè)板面上獲得均勻的溫度分布， 有一個(gè)平緩的預(yù)熱區(qū)。 回流焊接可以在空氣或氮 氣中進(jìn)行。重要的是：一定要確定助焊劑對于高焊接溫度具有熱穩(wěn)定性。雙面板回流焊接中， 板底部元件在第二次焊接時(shí)的掉件問題正在研究， 努力7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔建立經(jīng)驗(yàn)規(guī)則（元件重量與焊盤面積的比率） 。圖4 典型無鉛回流焊接曲線3波峰焊工藝無鉛波峰焊，要求較高的焊接溫度，典型值 255 270 。每一種特定的 助焊劑，其涂覆（噴射、發(fā)泡等）的量一定優(yōu)化；為了使熱沖擊保持（預(yù)熱和峰 值溫度的差異）在 100 以下，需要較長的預(yù)熱； Sn-Pb 很流行的雙波峰焊仍 將用于無鉛波峰焊中， 氮?dú)庖部?/p>

18、用來改善產(chǎn)量。 對焊渣形成的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)： 在 相同的溫度、相同的持續(xù)時(shí)間、相同的氣體環(huán)境下， SAC 和 Sn-Pb 形成焊渣的 量非常相似，而 Sn-Cu 焊料形成的焊渣相當(dāng)大。 正如 Sn-Pb 焊料一樣，氮?dú)猓∟ 2） 幫助減少焊渣的形成。波峰焊其他工藝參數(shù)對產(chǎn)量和質(zhì)量的影響， 如傳送帶的速度、 駐留時(shí)間、 接 觸長度、元件引腳方向和焊接方向（平行或垂直）等，有鉛和無鉛類似。無鉛波峰焊焊點(diǎn)的化學(xué)成分需要密切監(jiān)視， 特別是在初始階段， 這對 Sn-Cu 焊料特別重要。二元 Sn-Cu 合金金相圖顯示當(dāng)銅的成分改變 0.2% ，液相溫度改 變多達(dá) 6。這樣的改變可能導(dǎo)致動力學(xué)的改變以及焊接

19、質(zhì)量的改變。在無鉛研究的初始階段， 好幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)報(bào)道過波峰焊后焊料帶從銅焊盤上 分離的問題，這是罕見的。4返修工藝已發(fā)現(xiàn)無鉛焊料的返修相當(dāng)困難， 主要因?yàn)闊o鉛焊料合金沒有鉛錫焊料那樣 容易潤濕或燈芯現(xiàn)象，這可以從 QFP 元件引腳看出。盡管返修很困難，但成功 的返修方法（無論手動還是半自動）已經(jīng)研發(fā)出來，對于所有類型的元件（分立 元件、面陣列封裝元件） ，使用膏狀焊劑、焊劑筆、焊錫絲等。焊接參數(shù)一定調(diào) 節(jié)適應(yīng)無鉛焊料的高熔點(diǎn)溫度和低潤濕性。 同時(shí)返修過程中一定小心， 將任何潛 在的對元件和 PCB 的可靠性產(chǎn)生不利影響的因素降至最低。 SIR 的測試也要完7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用

20、文檔成，以確保采用免清洗技術(shù)時(shí)，回流焊 / 波峰焊所用助焊劑與返修助焊劑發(fā)生反 應(yīng)的任何產(chǎn)品不造成電遷移和枝狀晶增長的風(fēng)險(xiǎn)。三、設(shè)計(jì)規(guī)則可以預(yù)見， 當(dāng)轉(zhuǎn)向無鉛焊接時(shí)， 設(shè)計(jì)規(guī)則將不會有較大的改變。 在我們能有 更權(quán)威性的答案前，需要通過大量的生產(chǎn)積累更多的數(shù)據(jù)。通孔元件的波峰焊， 為了適應(yīng)無鉛和 Sn-Pb 焊料合金物理性能的差異， 設(shè)計(jì)上的某些改變可能需要。 通常的指導(dǎo)，如板相對于焊接方向的方位，仍適合于無鉛焊接。正如和 Sn-Pb 焊料一樣，為了將板上溫差降到最低， PCB 上最優(yōu)的板面布 局和銅的分布對焊接有利。 這一點(diǎn)對無鉛焊特別重要， 以便能將溫度對元件的影 響降至最低。四、元件有兩

21、種重要的與元件有關(guān)的問題：元件端頭冶金學(xué)和溫度穩(wěn)定性。 1端頭冶金學(xué)大多數(shù)傳統(tǒng)元件，有引腳元件（如 QFP、SOT等）、球形引腳元件（如 BGA、 CSP 等）、或端頭焊端元件（如 chip 元件的電阻、電容、 LGA、QFN 等），這些 元件的焊端電鍍或涂覆 Sn-Pb 合金，為焊接提供可焊性。大家認(rèn)為，對于無鉛 焊料的焊接， 元件上的 Sn-Pb 鍍層同樣能提供足夠的可焊性。 因此在轉(zhuǎn)換期間， 一些 Sn-Pb 電鍍元件可能用無鉛焊料焊接，也許 BGA 和 CSP的 Sn-Pb 焊球例 外，無鉛焊點(diǎn)中鉛的影響已在前面討論過。許多無鉛元件端子表面已被評估，而且使用了很多年。對于無源元件（如

22、Chip 電容和電阻），不光滑的 Sn 鍍層和 Sn-Pb 焊料一起用了許多年， 而且也能 和無鉛焊料一起使用。對于有引腳元件（如 QFP ）， Sn 鍍層或 Sn Bi（1 3Bi）鍍層可用于無 鉛焊料。 和 Sn-Pb 焊料一起用了很多年的 Ni/Pd ，以及 Ni/Pd/Au ，都是無鉛焊7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔接元件引腳鍍層的替代材料。 應(yīng)該注意，典型的 Ni/Pd 鍍層不能提供和 Sn 鍍層 一樣好的潤濕性。對于面陣列封裝元件，帶有 SAC 焊球的元件目前市場已經(jīng)有售， 而且和 SAC 焊料很好地焊接，可焊性良好。Sn 須增長問題已引起廣泛的關(guān)注， 特別是對于細(xì)間距的

23、 QFP 封裝元件。 Sn 須增長的根本原因是在 Sn 鍍層上產(chǎn)生應(yīng)力。有幾個(gè)要素可以大幅度地減少（甚 至消除） Sn 須增長的風(fēng)險(xiǎn)： 1）灰暗的 Sn （而不是亮 Sn）；2 ）Sn 合金（甚至 合金元素百分比含量很小，而不是 100 純 Sn）；3 ）在 Sn 下面的 Ni 阻擋層； 4）回流過的 Sn。Sn和Ni/Pd 和無鉛焊料正向兼容，和Sn-Pb 焊料逆向兼容，這使得轉(zhuǎn)換期 間同一工廠有鉛焊料和無鉛焊料情況下，管理生產(chǎn)線相當(dāng)容易。然而 SAC 焊球 和 Sn-Pb 焊料的逆向兼容是非常可疑的。這主要由于回流峰值典型溫度 205 225 （或甚至在極端情況低于 200 ），熔點(diǎn) 21

24、7的 SAC合金并不總是完 全和 Sn-Pb 焊料完全融化；同樣地，在回流時(shí)元件很少或沒有自糾正能力，而 這對于細(xì)間距元件特別是面陣列封裝元件非常關(guān)鍵。 當(dāng)回流溫度足夠高， 且自糾 正現(xiàn)象出現(xiàn)，越過整個(gè)界面區(qū)域發(fā)生 SAC 和 Sn-Pb 焊料混合，使用 Sn-Pb 焊 膏和 SAC 焊球的互連可靠性與使用 Sn-Pb 焊膏和 Sn-Pb 焊球的可靠性相近。圖5 無鉛焊中錫須增長2溫度穩(wěn)定性 不同的元件對焊接溫度的敏感也不同，例如陶瓷電阻和特殊的電容對斜率 （溫度的變化） 非常敏感，但對實(shí)際的溫度并不敏感。 在另一方面， 鋁電解電容， 對溫度極其敏感。連接器和其他塑料封裝元件（如QFP ）在高

25、溫時(shí)失效明顯增加（如分層、苞米花、變形等） 。粗略統(tǒng)計(jì)，溫度每增長 10 ，潮濕敏感級元件 （ MSL ）可靠性降 1 級。7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔由于無鉛焊料的熔點(diǎn)溫度較高，焊接溫度高于 Sn-Pb 焊料的焊接溫度。由 于高溫會對元件產(chǎn)生影響， 有意識地將焊接溫度降低， 問題是降至多少合適？還 必須保證有足夠的熱能提供一個(gè)充沛的工藝窗口，使多品種產(chǎn)品的批量生產(chǎn)中， 都能保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量?；亓骱钢?，假定最小峰值溫度為 235 ，最大峰值溫度取決于板面的溫差 T， 它取決于板的尺寸、厚度、層數(shù)、元件布局、 Cu 的分布以及元件尺寸和熱容量。 爐子的熱容量也是很重要的因素。擁有

26、大和復(fù)雜元件（如 CBGA 、CCGA 等）的 大、厚印制板，典型的溫差 T 高達(dá) 20 25 。而且，統(tǒng)計(jì)上允許爐溫的一定變 化。返修是另外一個(gè)工藝，它的溫度還要高。對于波峰焊，由于 Sn-Pb 焊點(diǎn)的溫度典型值已相當(dāng)高，和回流焊相比，無 鉛焊料的焊接溫度增加值通常少一些，焊點(diǎn)駐留時(shí)間通常也很短（幾秒） 。當(dāng)所有的應(yīng)用要求都被考慮， 260 的峰值溫度作為無鉛波峰焊元件所要求 的溫度。然而，人們認(rèn)識到，某些產(chǎn)品（如小 / 中型板），具有較小的溫差 T， 低的峰值溫度可能足夠了， 而且這些產(chǎn)品上元件對溫度的要求可以降低 （如 245 250 ）。通過測量板上元件的溫度得到元件體實(shí)際溫度， 它們

27、可能是不同的， 不同元 件有不同的溫度，這取決于元件的熱性能和板上所處的位置。正如 Sn-Pb 焊接 一樣，在任何情況下，最少三個(gè)加熱循環(huán)和 MSL1、2、3 被要求。10五、質(zhì)量無鉛焊料的缺陷類型，無論是回流焊還是波峰焊，都和 Sn-Pb 焊接相同， 為了達(dá)到和鉛錫焊接相同的產(chǎn)量， 還需要進(jìn)行相當(dāng)大的努力減少缺陷。 在轉(zhuǎn)換期 間，供應(yīng)鏈中每一個(gè)環(huán)節(jié)必須經(jīng)過這種認(rèn)識轉(zhuǎn)變， 這是特別真實(shí)的。 有限的生產(chǎn) 量（在元件、焊接材料和板方面）甚至使這種認(rèn)識轉(zhuǎn)變更難。無鉛和 Sn-Pb 焊 接工藝比較，回流焊接可能比波峰焊接較容易達(dá)到可比的產(chǎn)量。 例如，通孔填充，7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔117A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文

28、檔無鉛焊料沒有 Sn-Pb 焊料好。對于無鉛焊料 PCBA 的驗(yàn)收， IPC610 標(biāo)準(zhǔn)仍然有效，這是大家公認(rèn)的。然 而，對于技工接受性來講， 對操作者仍需要進(jìn)行無鉛焊接培訓(xùn)， 因?yàn)闊o鉛焊點(diǎn)的 外觀與 Sn-Pb 焊點(diǎn)相比通?；野挡⒊暑w粒狀，很少發(fā)亮。這種外觀上的差異是 由焊料合金冶金過程決定的，而不是技工水平的反應(yīng)。 Sn-Pb 合金作為一個(gè)典 型的共晶微結(jié)構(gòu)凝固，而 SAC 合金，盡管它是一個(gè)共晶合金，在典型的焊接條 件下，由于非平衡凝固原因， SAC 作為一個(gè)非共晶微觀結(jié)構(gòu)凝固，產(chǎn)生了灰暗 和顆粒狀外觀。ICT 探針能力是另一個(gè)問題，對于每一種免清洗無鉛焊膏，它必須被評估。六、可靠性1電

29、化學(xué)的可靠性當(dāng)板上助焊劑殘?jiān)芙庠诔睗竦睦淠袝r(shí)， 在一個(gè)電偏壓下電化學(xué)反應(yīng)將 在導(dǎo)線之間發(fā)生，引起表面絕緣電阻（ SIR）的下降。如果電遷移和枝狀結(jié)晶的 生長出現(xiàn)，更致命的失效因素形成導(dǎo)線間的短路而出現(xiàn)。 免清洗應(yīng)用中， 助焊劑 殘?jiān)挚闺娺w移和枝狀結(jié)晶生長的能力決定了電化學(xué)可靠性。 因?yàn)椴煌竸w 系和較高的焊接溫度，這一點(diǎn)需要對無鉛焊料進(jìn)行評估得到。無論是 IPC 還是 Telecordia 測試都能完成規(guī)定的焊膏和焊劑的評估。 然而， 應(yīng)該注意的是，單個(gè)產(chǎn)品的應(yīng)用可能具有特殊要求， 它不同于 IPC 或 Telecordia 的參數(shù)（如探針的間距和測試條件） 。2機(jī)械可靠性 無鉛焊

30、料互連點(diǎn)在熱機(jī)械負(fù)載（如熱循環(huán)）和動態(tài)機(jī)械負(fù)載（如跌落、沖擊、振 動、剪切、彎曲等）下的機(jī)械可靠性正被研究。在各種變化的溫度下，由于系統(tǒng) 中如元件、焊料、基板的 CTE 不匹配，利用焊料中熱循環(huán)產(chǎn)生的張力，焊料合 金的塑性變形和相互疲勞作用決定了焊料互連的熱機(jī)械可靠性（包括 Pb-Sn 、7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔127A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔無鉛合金），這種現(xiàn)象對于鉛錫合金而言早已廣泛地被研究， 而對于 SAC 合金而 言，正在積累更多的數(shù)據(jù)。眾所周知，在典型條件下，由于微觀結(jié)構(gòu)上的差異 （如矩陣中好的 Ag3Sn 金相）， SAC 合金比鉛錫具有更多的抗塑性變形能力。在大多數(shù)應(yīng)用中，已發(fā)現(xiàn) SAC 焊

31、 料互連比鉛錫焊料提供更大的可靠性。然而，事實(shí)并不總是如此。 NCMS 研究 發(fā)現(xiàn)，合金隊(duì)列根據(jù)可靠性 （相對于鉛錫合金） 隨著熱循環(huán)的條件和元件類型的 不同而變化。例如，使用 1206 陶瓷片式電容安裝在 FR4 基板上，當(dāng)熱循環(huán)在 0 100 （斜率 10 /min ，停留5分鐘）時(shí)，Sn-Pb 的可靠性類似于 Sn-3.5Ag ， 然而，當(dāng)熱循環(huán)在 55 125 （斜率 11/min ，停留20 分鐘）時(shí)，Sn-Pb 的可靠性大于 Sn-3.5Ag ，最近的研究表明，拉力在一定門限值以下時(shí)（如 20MPa ），SAC 穩(wěn)定狀態(tài)的塑性應(yīng)變率比 Sn-Pb 低得多；然而，在門限值以上， 情況

32、就完全不同了。這是因?yàn)樵?SAC 和 Sn-Pb 焊料不同的可靠性比較，在不同 的熱循環(huán)條件和不同的元件下。在大多數(shù)典型使用中， SAC 焊料比 Sn-Pb 焊料 更可靠。然而，對于非常大的元件、元件和基板的 CTE 差別很大的情況（比如 陶瓷元件和 FR4 基板），在非常嚴(yán)厲的熱循環(huán)條件下， SAC焊料并不總是比 Sn-Pb 焊料更可靠。其他的因素，如微觀結(jié)構(gòu)（焊料 / 銅界面區(qū)域）上的差異，在焊料、 基板、元件之間的各自 CTE 的不同，也都產(chǎn)生不同的可靠性能。 另一個(gè)復(fù)雜的因素是 SAC 和 Sn-Pb 的加速度因子不同， 即在相同熱循環(huán)條件下 1000 循環(huán)決定 SAC 和 Sn-Pb

33、 實(shí)際現(xiàn)場可靠性的不同。這很容易明白，因?yàn)榧?速因子取決于材料的性能，而 SAC和 Sn-Pb 的性能是不同的。實(shí)際的加速因子 是很難確定的，而這對可靠性研究確實(shí)是很重要和當(dāng)務(wù)之急的課題。 此外，更復(fù)雜的情況是在同一塊板上使用不同的焊料合金 （如 SAC 用于回流焊， Sn-Cu 用于波峰焊）。另一個(gè)更深入研究的問題是無鉛焊點(diǎn)中鉛的含量怎樣影響 其可靠性；這一點(diǎn)尤其對無鉛焊接轉(zhuǎn)變期間用無鉛的焊膏焊接 Sn-Pb 引腳元件7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔時(shí)非常重要。也有一些無鉛焊料在動態(tài)機(jī)械負(fù)載條件下的可靠性方面的研究 （12 16）。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn) SAC焊料互連的 QFP 封裝，在跌

34、落試驗(yàn)中，其發(fā)生失效 時(shí)已跌落的次數(shù)與引腳上的電鍍層有關(guān)， 不光滑 Sn 鍍層引腳的元件比 Ni/Pd 鍍 層引腳的元件跌落次數(shù)多。 這種現(xiàn)象可根據(jù)金屬間化合層 （它是易碎的） 和焊料 和元件引腳的界面總面積（它取決于潤濕性）來解釋。3RF在無線通訊產(chǎn)品中，免清洗助焊劑對產(chǎn)品射頻信號 RF 完整性的影響是大家 關(guān)心的事情。隨著 RF 頻率的增加，電路中的每一個(gè)部件，如導(dǎo)線、阻焊層、助 焊劑殘留物等， 在整個(gè)電路設(shè)計(jì)和誤差范圍中都需要考慮。 無鉛焊料和有鉛焊料 以及其助焊劑殘留物對射頻的影響需要更進(jìn)一步研究。七、設(shè)備對于無鉛焊的回流爐，大的復(fù)雜板上最小溫差 T 的能力是一關(guān)鍵分界嶺。 為了使溫差T 最小，建議回流工藝的帶速降低。然而，這會受到一定限度的， 不僅受到生產(chǎn)量要求的限制；而且受到駐留時(shí)間（ TAL）的限制，帶速太慢，駐 留時(shí)間就會太長；而且還受到助焊劑耐用性的影響