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1、无铅焊接的质量和可靠性分析前言：传统的铅使用在焊料中带来很多的好处，良好的可靠性就是其中重要的一项。例如在常用来评估焊点可靠性的抗拉强度，抗横切强度，以及疲劳寿命等特性，铅的使用都有很好的表现。在我们准备抛弃铅后，新的选择是否能够具备相同的可靠性，自然也是业界关心的主要课题。 一般来说，目前大多数的报告和宣传，都认为无铅的多数替代品，都有和含铅焊点具备同等或更好的可靠性。不过我们也同样可以看到一些研究报告中，得到的是相反的结果。尤其是在不同PCB焊盘镀层方面的研究更是如此。对与那些亲自做试验的用户，我想他们自然相信自己看到的结果。但对与那些无能力资源投入试验的大多数用户，又该如何做出选择呢？我
2、们是选择相信供应商，相信研究所，还是相信一些形象领先的企业？我们这回就来看看无铅技术在质量方面的状况。什么是良好的可靠性？当我们谈论可靠性时，必须要有以下的元素才算完整。1 使用环境条件（温度、湿度、室内、室外等）；2 使用方式（例如长时间通电，或频繁开关通电，每天通电次数等等特性）；3 寿命期限（例如寿命期5年）；4 寿命期限内的故障率（例如5年的累积故障率为5%）。而决定产品寿命的，也有好几方面的因素。包括：1 DFR（可靠性设计，和DFM息息相关）；2 加工和返修能力；3 原料和产品的库存、包装等处理；4 正确的使用（环境和方式）。了解以上各项，有助于我们更清楚的研究和分析焊点的可靠性。
3、也有助于我们判断其他人的研究结果是否适合于我们采用。由于以上提到的许多项，例如寿命期限、DFR、加工和返修能力等等，他人和我的企业情况都不同，所以他人所谓的可靠或不可靠未必适用于我。而他人所做的可靠性试验，其考虑条件和相应的试验过程，也未必完全符合我。这是在参考其他研究报告时用户所必须注意的。您的无铅焊接可靠性好吗？因此，在给自己的无铅可靠性水平下定义前，您必须先对以下的问题有明确的答案。 您企业的质量责任有多大？ 您有明确的质量定义吗？ 您企业自己投入的可靠性研究，以及其过程结果的科学性、可信度有多高？ 您是否选择和管理好您的供应商？ 您是否掌握和管理好DFM/DFR工作？ 您是否掌握好您的
4、无铅工艺？只有当您对以上各项都有足够的掌握后，您才能够评估自己的无铅可靠性水平。更重要的，是您才能确保您的无铅可靠性能够提升和有所保证。举个例子说，很多试验都报告说无铅技术容易出现气孔故障。从常见无铅合金的特性上来看，无铅是较容易出现气孔。但合金特性不是唯一的因素。对气孔问题来说，更重要的因素是焊剂配方（也就是锡膏种类）、炉子性能、工艺设置/调制能力、DFM和器件焊端材料等。如果用户不掌握这些知识，则可能随意的作了一些试验后见到气孔多，就说气孔在无铅中是个问题。而实际上，气孔在无铅中，是可能比那些不懂得处理技术整合的用户，在有铅技术中控制得更好的。可靠性并非是三言两语可以说清楚的。而是一门需要
5、很多定义、规范、认证、数据支持等等工作的科学。可靠性的依据和标准：当我们评估无铅焊点时，其可靠性的合格标准是什么？由于无铅技术是用来取代有铅技术的，一个很自然合理的评估标准，就是和传统的锡铅焊点进行比较。所以我们一般要求新的替代品，应该具有和锡铅焊点同等的可靠性，或最少很接近。所以在一般的无铅焊点可靠性分析中，我们都是和相同设计、工艺下的锡铅焊点效果进行比较。而一般使用Sn37Pb为基准的较多。也有一部分使用SnPbAg为比较基准的。经过了一段时间的发展，目前由于较多同业偏向看好SAC为无铅焊料的主流，所以不少其他无铅合金的研究上也使用SAC作为比较对象的。无铅技术的可靠性情况：经过了约15年
6、的开发研究，我们到底对无铅技术的可靠性把握多少？可靠性不同与生产直通率，它需要一定的使用时间来给于人们较高的信心。这也就是说，必须有较长使用时间和足够使用量的情况下才能有较可靠的结论。在一项非正式的统计中，我们对业界认为无铅是否可靠得出以下的结果： 94%的报告说可靠 100%的供应商说他们有可靠的材料和方案 87%的研究院报告说还需要进一步研究而事实上，我们只有约4%的制造商有不超过5年的实际大量使用经验。这对于一些使用寿命要求较长的电子产品绝对是不够的。我们目前靠的主要是试验分析结果。而由于这些试验做法仍然存在着不少问题（请看下一节的解说），我们可以说，目前的可靠性状况，还存在着： 不够完
7、整 不够精确 不够适用的风险所以当用户在处理这问题时，一个关键就是先前我提到的“您企业的质量责任有多大？”。这是决定你对无铅可靠性的认同态度的主要因素。责任越大，您就应该越不放心，越觉得无铅还是未必可靠。到底目前业界是如何看法的呢？就一般业界较认同的看法来说，目前我们偏向于相信以下的状况。对于使用环境较温和的产品，例如室内使用的家用电器、通讯设备、医疗设备等等（注一），我们都认为无铅技术可以满足要求。这类应用中，较多无铅技术研究中发现无铅焊点具有和含铅技术相同或更好的可靠性。但在较恶劣环境下使用的产品，例如航空设备、汽车电子、军用品等等（注二），业界则还不放心。研究结果也发现无铅有时不如含铅技
8、术。图一的研究报告就显示了某些无铅材料的这种特性，SAC可靠性和SnPb比较上，能力会因为所承受应力或应变程度而有所不同。美国新泽西州一家研究所EPSI机构曾对无铅和有铅技术的研究程度进行了统计分析。其得出的结果是无铅的研究资料只有有铅的10%，而实际经验只有有铅技术的24%（注三）。这也向业界提供了一个信息：我们可能还做得不够！可靠性研究面对的问题：上面我提到目前无铅技术的可靠性仍然具有一定的风险。这风险来自什么地方，或是什么原因造成会有风险呢？以下是一些主要的原因。1 目前使用来判断可靠性（寿命）的常用做法是通过热循环的加速老化试验方法，通过加温减温来给焊点制造应力而使其最终断裂，并记录其
9、寿命（一般是热循环次数），制图和进行比较来评估。而事实上，在应用中我们的条件是和试验中有所不同的。例如温度变化的不规律性、较大的蠕变混合模式等等，这都不是试验中有照顾到的。而目前我们还缺乏一套能够从试验室内的单纯模拟，按实际使用情况推算出实际寿命的方法。所以试验室内的结果，和实际应用中有可能出现较大的差别。而这种差别，在无铅新材料上我们甚至没有理论上的预计和判断，对其变化关系几乎是完全不懂；2 由于对某些理论还没有掌握，在试验中我们可能做出一些错误的模拟试验设置，结果当然就得出一些错误的信息。比如在金属须Whisker的认证试验中，有些试验采用了高温高湿老化的方法，这做法虽然能够通过加快原子迁
10、移促使焊点的金属须增长加快，但事实上也同时会对焊点或材料产生煅烧退火的效应，从而减少金属须增长的几率。但在实际使用中，金属迁移会在室温下出现，煅烧退火的效果却不会在室温下形成，所以我们得到的试验结果可能偏好而造成错误的判断；3 如果我们研究多数的试验设计，在试验中人们很容易忽略了SMT故障形成的复杂因果关系（或许是为了简化试验而有意忽略），而只用过于简单的几项变数控制来进行试验和分析。例如有一个实际例子中，某试验在对不同PCB焊盘保护材料进行比较时，采用了众多OSP中的一种，而后认定OSP的能力不能接受，表现和他们建议的纯锡差别很大。事实上OSP不只种类多，还和其他材料一样受到供应商加工和质量
11、控制能力的重大影响。但这些先决条件都没有在试验前进行分析控制，而作出了可能具备误导性的结论。图二可以让我们更清楚看出这类问题。我们假设用户选择的试验条件（材料配搭、工艺参数等）是图中的#1的话，那他得出的结论是OSP和ENIG不良，ENEG不稳定，ImAg最好而应该被推荐。但他如果采用了试验条件#2，他则认为所有不同的PCB处理都没有什么不同的表现。这是截然不同的两种结论！而最重要的，是用户的实际情况是什么？用户的材料、设计、工艺、设备、加工厂能力等等的技术整合结果，是处于条件中的#1？#2？还是其他的点上？这在SMT技术中是个不容易的工作，需要对各种工艺、设计、材料、设备等等都有很好掌握的人
12、员才能处理得合理。在工作中我见过有不少的试验设计，是考虑不周的。这也说明了为什么很多报告，其结果不能吻合。4 热循环疲劳失效试验是研究可靠性中最主要的方法之一。为了缩短试验时间，一般都采用高应力，高应变的试验做法。但业界也发现，很多焊料的特性表现，在低应力、低应变的情况下显得不稳定和出现不同的结论。而实际应用上，焊点所面对的是大范围的应力和应变。但很少试验是在低应力、低应变下进行的。而这方面的高与低标准，以及他们和产品设计、应用等上的关系等等知识资料也很缺乏；5 可靠性特性的针对性相当强。比如类似“使用在BGA的可靠性好”这样的评语，事实上是不够精确的。我们发现，BGA的大小，BGA的焊端（B
13、ump）数量也都影响可靠性结果。例如一份报告中发现，9个焊端的CSP，其可靠性就比24个焊端的小了1.5倍！而我们并没有资源对所有的不同组合（器件封装、焊料、PCB、工艺参数、设计等）进行试验分析。这就是说，我们不免有一部分（还不知道有多大的一部分？）情况完全没有把握到；6 保护各自利益影响信息的真实性。我们不难发现，业界的供应商们所发表的资料，都是说无铅可行。而一些研究院或用户的报告，则总是在结尾上提到还需要研究认证！。这在一定程度上也是受到本身利益的影响而过滤了某些信息。当然，其坏处是误导一些经验不足，资源不足的用户。基于以上的原因。我认为我们在接触无铅信息资料的同时，必须对各个资料的背景
14、、细节等进行相当程度的分析判断。并要求收集众多的信息进行比较。而最有用的，是拥有自己本身的认证开发能力。以往有铅时代的抄用做法，在进入无铅后会可能给您带来问题。如此说来，是否所有的用户都必须大量的投入可靠性研究？这也未必。我们还得来看看风险。可靠性风险有多大：知道了存在的重重问题，知道了我们听说或见到的可靠无铅技术未必真的可靠后，那我们是否会问：“使用无铅的风险有多大？”我没有见到业界有对这问题进行分析预计的。或许这时候没有人愿意这么做。商家肯定不愿意，研究院也因为在确保质量上有很大的困难而不愿意。不过按我的经验和看法来判断的话，我觉得风险还是偏小的，风险的随机性也十分强。而且我个人觉得这风险
15、问题无法得到很好的解决，至少在三五年内不会。我所以这么说，基于以下的几个观点。1 许多试验，虽然把握的不好，但结果很少出现足以提出报警的大问题。例如以下图三中的比较。左右两份研究的结论刚好是相反，这说明在整个过程中我们并没有对所有关键因素把握和控制到位。但即使结果不一样，测试出来的数据却显示他们都很好的满足实际回流焊接中的需要。2 单一材料的特性分析，目前的业界能力是足够的。所以那些无法事先得到较足够认证的，是个配搭问题。这配搭包括材料间、材料和工艺间的配搭。也就是说，并非每个用户都有同样遇到问题的几率。而是有较高的随机性的。这问题其实在有铅时代已经是常见的。我们不是常遇到某些批量出问题，或常听到供应商说：“我的其他客户没有这种问题！”的吗？就拿上图三的例子来说（假设两个试验是可靠的，而差异是材料供应商的差别），那使用左图中的材料在回流焊接中的客户，未必能发现其能力差。但如果是使用在波峰焊接中，则就可能是个问题了！这里的风险是需要左图的供应商，加上波峰焊接工艺才会出现的。所以不是每个用户都会遭遇到。3 无铅对与那些高质量要求的行业来说，由于豁免条例等等，目前的压力还不太大。例如航天、军用产品行业中，无铅环保并不是个必须品。也就是说无铅是否可靠并不是他们急于解决的问题。虽然这些行业可能受到供应市场的转变而受到一些影响，但这些行业对
