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1、无铅焊接缺陷的分类及其成因作者 :Gerjan Diepstraten Vitronics Soltec多数应用中，在找到最优化的工艺设定后，无铅焊接能达到切换前一样或更好的质量结果。只是在物料清单及某些供应商方面会有一些变化。但是，由于电子组件的品种非常多，必定存在着例外情况，对一类组件有利的方面也许会对另一类有害。 不同的熔点，新的金属间化合物，失配的延展性，以及其他物理特性等，除了会带来新问题外，还会使老问题加剧，并暴露出来。外观问题还是缺陷合格的波峰或选择性焊接意味着在两个表面或物件之间形成良好的焊点（建立物理及电的连接），并且在加工过程中没有损害部件。表面应具有良好的润湿性（可焊性）
2、，焊料在焊接过程中能够保持熔融态，并在焊点形成中温度不会降至熔点以下，这被称作热可焊性。只有在表面可焊性和热可焊性条件都得到满足时，才能形成这样的焊点 焊料能够对插装或混装板的过孔做到充分填充。无铅焊接中首先注意到的是外观灰白并粗糙，非常不同于我们已经习惯的锡铅（尤其是Sn/Pb/Ag ）焊点光滑亮泽的特点。按照锡铅焊点的外观标准要求，无铅焊点会被认为是不良。标准的缺失导致正确判断缺陷与否变得不清晰。最近的IPC-A-610D为质量工程师提供了定义缺陷及可接受的标准。如典型的焊接问题，如焊点裂纹、焊角翘离、焊盘翘起、表面皱缩，以及空洞等，这些问题一直处于是否认定为缺陷或者仅仅是不影响焊点可靠性
3、的外观异常的争论。此外，涉及到的与无铅焊料合金相关的新材料和板的表面处理方式，导致了很多新问题的发生。这些缺陷或问题的产生并不是因为无铅合金本身，而是由于对那些新的线路板镀层的应用。这包括已知的现象，如：黑焊盘，多孔金层，OSP 或化学锡保护层的氧化，以及化学银镀层变暗。与元件相关的缺陷1.与元件镀层相关的缺陷。主要是锡须问题，另外有铅污染以及含铋镀层会导致焊接中低熔点环节而产生缩孔，波峰焊接时的二次回流，增加焊角翘离的风险。2.低质量原材料导致的缺陷。这包括湿气的吸收、塑料的熔化或变形、无铅焊接的高温引起基材分层。最好使用符合RoHS 的元件而不仅仅是无铅元件。符合RoHS 的元件意味着不仅
4、耐高温，而且只有这种材料不违反即将实施的欧洲RoHS 指令。与线路板相关的缺陷表面不可焊多数与不同电路板镀层相关的缺陷是由于抗侵蚀能力差或者是过程控制的问题。在大多数情况下这意味着待焊接表面已经有氧化，甚至在进行焊接之前已经失去可焊性。每种电路板镀层有不同的失效机理。 化学镍金：金是优良的表面镀层，在无铅焊接中易于溶解并且不会氧化或变暗。但多孔金层或黑盘现象会影响可焊性。化学锡： 在铜焊盘和纯锡层之间形成的SnCu 金属间化合物，一旦金属间化合物到达表面会迅速氧化而导致焊接面可焊性变差。表面结构形态研究表明，化学锡结构疏松而呈颗粒状。因此要求有适当的厚度以防止焊盘露铜。化学银： 它是一种很薄的
5、沉积（100200nm ），因此容易被检查工具的针脚损坏。制造过程中由于空气中含有了硫和氯化物可能会致使其发黄。厚的无光泽银硫化物层会影响可焊性。有机可焊性保护层（OSP ）： OSP 必须保证铜表面在焊接前和焊接过程中的可焊性。存储过程中未被防护的铜表面被氧化导致形成Cu2O ，而后生成 Cu2O 和 CuO 的混合物。与温度相关的缺陷很多潜在的缺陷源于更高的焊接温度。基材之间以及基材和铜之间的分层，线路板变形是由于低质量线路板和高温效果共同造成的典型缺陷。元件问题管理和标识符合RoHS 的元件是实施无铅化最困难的一个部分。没有确立的标准，元件供应商已经开发了不同的无铅标识方法，有一些会改变
6、元件编号，而另一些会根据日期转换到符合RoHS 元件。这样会导致混淆，元件的不同镀层 有铅和无铅的混用会产生危害。例如BGA 有铅和无铅锡球的混用是非常有害的质量因素，由于不同材料的熔化特性不同，焊球可能会不完全熔化或者造成空洞增加。不完善的存储条件会是另一种危害。无铅焊接的高温要求更稳定的塑料，不易吸收水汽，不易发生爆米花缺陷。爆米花效应是由于塑料封装中吸收了水汽，快速加热造成的元件内部的分层并发生爆裂。因此，审核湿度敏感等级是必需的。在所有无铅镀层中，纯锡是批量生产中使用最多的材料。这种镀层在锡铅焊接工艺中已经应用于无数的SMD 陶瓷电容上，至今没有出现过商用问题，是一种非常可靠的替代Sn
7、Pb 的元件镀层。但仍然需要考虑锡 须现象。在无铅应用中， Sn 镀层和基材或底层的正确结合，为元件提供了足够的防护。纯锡在极度低温时容易形成锡瘟，锡瘟是一种白色锡向粉状灰色锡的转变，它是一种非金属特性的同素异形体。这种现象最早发现于历史上拿破仑的军队进军莫斯科，军装的锡制系扣差不多碎裂了。研究表明SnCu 呈现类似的特征。与波峰焊接相关的缺陷所有在波峰焊接中直接和液态焊料相邻的部分，由于液态焊料传给焊点的热能，其温度都会升高并膨胀。各种材料的热膨胀系数不同，并且在无铅焊接的高温中膨胀程度更高。环氧玻璃材料线路板的热膨胀随温度而变化，这种膨胀在Z 轴尤其突出。由于镀铜过孔和PCB 基材不同的热
8、膨胀率，会造成连接处的焊锡出现变形。这种变形主要集中在焊盘区域，焊接中出现楔形形变。这种变形是一种动态过程，焊盘在焊接过程中上下移动，移动导致焊点裂缝的产生。裂缝是由于在焊角固化时焊盘移动的机械应力造成的。焊料中， Pb、Bi、Cu 或其他金属的污染会影响固化过程。在焊料中混入SnPbBi 低熔点材料，会造成焊点的机械应力产生变化，导致焊点焊料产生断层。焊锡会移动或产生裂缝，并伴有不同的氧化层（典型为金黄色）生成。表面皱缩也是这种固化和应力导致的现象，这种效应不应被视作焊接缺陷，应该接受这种与SnPb 焊点不同的皱缩裂纹现象。IPC-A-610-D定义了缩孔的接受程度： 裂纹底部可视（如图1）
9、 裂纹或缩孔没有接触焊盘、焊环或元件引脚焊盘和焊角翘离的成因有着相同的机理，即材料热膨胀性的不匹配。助焊剂活性助焊剂在焊接过程中扮演着主要角色，很多缺陷归因于助焊剂缺乏活性。活性强的助焊剂能去除氧化物并防止桥接。沸点温度更高的助焊剂可以改善通孔的助焊剂透过率。助焊剂透过率是无铅焊接中一个非常关键的指标，由于无铅合金较弱的润湿特性使得焊接更具挑战。焊锡上有氮气覆盖有助于提高润湿特性，提高去除氧化物的能力，从而增强焊锡的透过率。如果有足够的助焊剂活性或氮气氛，就不会出现如拉尖或“ 冰柱 ”（icicle ）的缺陷。阻焊层更高的焊接温度也会影响到阻焊层，使它变得更弱，同时锡珠更容易粘着。另一种助焊剂
10、和阻焊层之间的相互作用会导致组件底面产生残留。这些在焊接中没有挥发的油性残留由底面固化的增塑剂或者未正常混合的阻焊剂组成。制造商在加工中应该充分烘烤，以防止这类问题的发生。对一些用户来说，这种问题不被视为缺陷，但对另一些用户（使用共形涂层板的用户）则不愿接受。粘着在阻焊层的焊接残留称为锡网。更多或活性更强的助焊剂会清除氧化物，防止残留物粘着在组件上。高焊接温度PCB 与焊锡接触时间加长，通孔的填孔效果会更好，更高的焊接温度有益于焊点润湿。当同时具备接触时间长和焊接温度高时，就会有导致以下几种缺陷的危险：吹气孔： 是由于高温使气体从板的基材中排出，气体通过镀铜孔壁进入焊锡并在焊锡中产生大的空洞焊
11、锡过量： 这是由于气体从板的顶面排出，焊锡过量比较清楚地被看到铜溶出： 焊盘的铜溶解于焊料中。如果铜层太薄，非常长的接触时间会使铜完全溶解二次回流： 如果波峰焊接过程中温度超出焊膏的熔点，SMD 元件的焊点会被再次熔化；焊锡可能会被吸走，使得元件引脚脱离焊盘，有时引脚和焊盘之间会保留少许连接并能通过电流，要发现这种缺陷就更加困难。在易发生的元件上放置散热器可以防止二次回流焊料上吸（灯芯效应）：焊锡从焊接处向上流走，造成焊点焊锡量不足（见图2）元件损坏： 有些元件（如MELF ）在锡波的熔锡中停留过久就可能碎裂。另外一种情况，元件的点胶承受不住高温而掉入焊锡中（见图3）焊锡污染： 有些金属会溶解
12、于无铅焊料中。焊料的温度、流速和合金成份确定了这种溶解的速度。因而要求持续监测焊料成分如果焊料槽的构成材料中没有足够的防护层，材料（不锈钢）中的铁会溶解于焊锡中形成FeSn2 晶体。这种晶体的熔点高达510 ，因而会保留在锡中。由于在焊料槽角落的焊锡流速较慢，结晶体通常集中在在角落处。但是如果晶体与焊锡一起被泵出，结晶体可能会留在焊点处引起桥接，(见图 4)。与回流焊接相关的缺陷无铅焊膏更高的熔点要求回流温度更高，因而元件过热是主要的风险。与波峰焊接不同，回流工艺并没有引入新的缺陷种类。无铅焊接使回流工艺窗口变小。为了使焊膏完全熔化并且不损坏别的部件，一个关键的指标是达到并保持最小的芓（在组件
13、上最冷和最热点的温度差）。事实上很多回流焊接的缺陷都与印刷和焊膏特性有关。无铅焊接中的缺陷和曾经发生于SnPb 工艺中的相似：“ 立碑 ” ：这种以其形象命名的现象，描述的是片状元件翻起并立于一个焊接端。一些研究表明，无铅焊膏可以降低立碑的发生几率，那是因为无铅焊膏的润湿程度小而作用在元件上的力（如表面张力）也同样明显地减小。锡珠： 这是一种位于元件侧面的焊锡球。锡珠常见的原因有：焊盘上焊膏过多，焊膏印刷不准确，助焊剂溶剂挥发时形成的气体在回流预热时从焊膏中排出。锡桥： 造成的原因有：丝网印刷不准确，焊膏形状模糊、塌落、过量，或者是元件贴片不准确。应用混合材料于BGA 元件：当焊膏和BGA 焊
14、球材料不匹配时可能会出现问题。如果使用无铅焊膏于BGA 锡铅焊球，焊球在183时熔化，而此时无铅焊膏的气体仍在排出。由于焊球已经熔塌在无铅焊膏上， 气体只能排入SnPb 中形成大的空洞。如果使用SnPb 焊膏于无铅的BGA 焊球，必须确保焊球完全熔化以达到充分的自对中。建议1.很多缺陷和线路板材料质量有关，板的可焊性依赖于好的存储条件，受控的物流，合格的供应商；2.对波峰焊接，焊料温度尽可能设低，防止元件过热，材料损坏，尤其是焊膏再熔化（二次回流）；3.低的焊料温度能减低熔化的焊料对焊料槽及叶轮的侵蚀作用，而且限制FeSn2 晶体的生成；4.在波峰焊和回流焊中，很多缺陷源于助焊剂活性不够。好的
15、助焊剂能够经受住高温，防止桥接，改善通孔的透过率。很多的试验设计也证明了助焊剂的重要性；5.优秀的工艺控制可以降低缺陷水平。可以使用SPC 和 Pareto 技术检测工艺的稳定性，而完善组件设计更是关键。回流焊中良好的工艺控制既可以防止过热，又能降低缺陷发生率。参考文献1 Soldering in Electronics, Second Edition, R.J. Klein Wassink.2The case of pad lifting, fillet lifting and fillet tearing judgement, RE-HEN-04011, G. Schouten, Vitronics-Soltec B.V. 3 IPC-A-610-D Acceptability of Electronic Assembly.
