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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，目前前大多数的报报告和宣传，都都认为无铅的的多数替代品品，都有和含含铅焊点具备备同等或更好好的可靠性。不不过我们也同同样可以看到到一些研究报报告中，得到到的是相反的的结果。尤其其是在不同PPCB焊盘镀镀层方面的研研究更是如此此。对与那些些亲自做试验验的用户，我我想他们自然然相信自己看看到的结果。但但对与那些无无
2、能力资源投投入试验的大大多数用户，又又该如何做出出选择呢？我我们是选择相相信供应商，相相信研究所，还还是相信一些些形象领先的的企业？我们们这回就来看看看无铅技术术在质量方面面的状况。什么是良好的可可靠性？当我我们谈论可靠靠性时，必须须要有以下的的元素才算完完整。1 使用环境境条件（温度度、湿度、室室内、室外等等）；2 使用方式（例例如长时间通通电，或频繁繁开关通电，每每天通电次数数等等特性）；3 寿命命期限（例如如寿命期5年年）；4 寿命期限内内的故障率（例例如5年的累累积故障率为为5%）。而决定产品寿命命的，也有好好几方面的因因素。包括：1 DFR（可可靠性设计，和和DFM息息息相关）；22
3、 加工和和返修能力；3 原料料和产品的库库存、包装等等处理；4 正确的使使用（环境和和方式）。了解以上各项，有有助于我们更更清楚的研究究和分析焊点点的可靠性。也也有助于我们们判断其他人人的研究结果果是否适合于于我们采用。由于以上提到的的许多项，例例如寿命期限限、DFR、加加工和返修能能力等等，他他人和我的企企业情况都不不同，所以他他人所谓的可靠或不可靠未未必适用于我我。而他人所所做的可靠性性试验，其考考虑条件和相相应的试验过过程，也未必必完全符合我我。这是在参参考其他研究究报告时用户户所必须注意意的。您的无铅焊接可可靠性好吗？因此，在给给自己的无铅铅可靠性水平平下定义前，您您必须先对以以下的问
4、题有有明确的答案案。 您企业的质质量责任有多多大？ 您您有明确的质质量定义吗？ 您企业业自己投入的的可靠性研究究，以及其过过程结果的科科学性、可信信度有多高？ 您是否否选择和管理理好您的供应应商？ 您您是否掌握和和管理好DFFM/DFRR工作？ 您是否掌握握好您的无铅铅工艺？只有当您对以上上各项都有足足够的掌握后后，您才能够够评估自己的的无铅可靠性性水平。更重重要的，是您您才能确保您您的无铅可靠靠性能够提升升和有所保证证。举个例子说，很很多试验都报报告说无铅技技术容易出现现气孔故故障。从常见见无铅合金的的特性上来看看，无铅是较较容易出现气孔。但但合金特性不不是唯一的因因素。对气气孔问题来来说，
5、更重要要的因素是焊焊剂配方（也也就是锡膏种种类）、炉子子性能、工艺艺设置/调制制能力、DFFM和器件焊焊端材料等。如如果用户不掌掌握这些知识识，则可能随随意的作了一一些试验后见见到气孔多，就说气孔在无无铅中是个问问题。而实际际上，气孔在在无铅中，是是可能比那些些不懂得处理理技术整合的的用户，在有有铅技术中控控制得更好的的。可靠性并非是三三言两语可以以说清楚的。而而是一门需要要很多定义、规规范、认证、数数据支持等等等工作的科学学。可靠性的依据和和标准：当我我们评估无铅铅焊点时，其其可靠性的合合格标准是什什么？由于无无铅技术是用用来取代有铅铅技术的，一一个很自然合合理的评估标标准，就是和和传统的锡
6、铅铅焊点进行比比较。所以我我们一般要求求新的替代品品，应该具有有和锡铅焊点点同等的的可靠性，或或最少很接近近。所以在一一般的无铅焊焊点可靠性分分析中，我们们都是和相同同设计、工艺艺下的锡铅焊焊点效果进行行比较。而一一般使用Snn37Pb为为基准的较多多。也有一部部分使用SnnPbAg为为比较基准的的。经过了一段时间间的发展，目目前由于较多多同业偏向看看好SAC为为无铅焊料的的主流，所以以不少其他无无铅合金的研研究上也使用用SAC作为为比较对象的的。无铅技术的可靠靠性情况：经经过了约155年的开发研研究，我们到到底对无铅技技术的可靠性性把握多少？可靠性不同同与生产直通通率，它需要要一定的使用用时
7、间来给于于人们较高的的信心。这也也就是说，必必须有较长使使用时间和足足够使用量的的情况下才能能有较可靠的的结论。在一项非正式的的统计中，我我们对业界认认为无铅是否否可靠得出以以下的结果： 94%的报报告说可靠靠 1000%的供应应商说他们有有可靠的的材料和方案案 87%的研究院报报告说还需需要进一步研研究而事实上，我们们只有约4%的制造商有有不超过5年年的实际大量量使用经验。这这对于一些使使用寿命要求求较长的电子子产品绝对是是不够的。我我们目前靠的的主要是试验验分析结果。而而由于这些试试验做法仍然然存在着不少少问题（请看看下一节的解解说），我们们可以说，目目前的可靠性性状况，还存存在着： 不够
8、完整 不够精确确 不够适适用的风险所以当用户在处处理这问题时时，一个关键键就是先前我我提到的“您您企业的质量量责任有多大大？”。这是是决定你对无无铅可靠性的的认同态度的的主要因素。责责任越大，您您就应该越不不放心，越觉觉得无铅还是是未必可靠。到底目前业界是是如何看法的的呢？就一般般业界较认同同的看法来说说，目前我们们偏向于相信信以下的状况况。对于使用环境较较温和的的产品，例如如室内使用的的家用电器、通通讯设备、医医疗设备等等等（注一），我我们都认为无无铅技术可以以满足要求。这这类应用中，较较多无铅技术术研究中发现现无铅焊点具具有和含铅技技术相同或更更好的可靠性性。但在较恶劣环境境下使用的产产品
9、，例如航航空设备、汽汽车电子、军军用品等等（注注二），业界界则还不放心心。研究结果果也发现无铅铅有时不如含含铅技术。图图一的研究报报告就显示了了某些无铅材材料的这种特特性，SACC可靠性和SSnPb比较较上，能力会会因为所承受受应力或应变变程度而有所所不同。美国新泽西州一一家研究所EEPSI机构构曾对无铅和和有铅技术的的研究程度进进行了统计分分析。其得出出的结果是无无铅的研究资资料只有有铅铅的10%，而而实际经验只只有有铅技术术的24%（注注三）。这也也向业界提供供了一个信息息：我们可能能还做得不够够！可靠性研究面对对的问题：上上面我提到目目前无铅技术术的可靠性仍仍然具有一定定的风险。这这风险
10、来自什什么地方，或或是什么原因因造成会有风风险呢？以下下是一些主要要的原因。1 目前使用用来判断可靠靠性（寿命）的的常用做法是是通过热循环环的加速老化化试验方法，通通过加温减温温来给焊点制制造应力而使使其最终断裂裂，并记录其其寿命（一般般是热循环次次数），制图图和进行比较较来评估。而而事实上，在在应用中我们们的条件是和和试验中有所所不同的。例例如温度变化化的不规律性性、较大的蠕蠕变混合模式式等等，这都都不是试验中中有照顾到的的。而目前我我们还缺乏一一套能够从试试验室内的单单纯模拟，按按实际使用情情况推算出实实际寿命的方方法。所以试试验室内的结结果，和实际际应用中有可可能出现较大大的差别。而而这
11、种差别，在在无铅新材料料上我们甚至至没有理论上上的预计和判判断，对其变变化关系几乎乎是完全不懂懂；2 由于对某某些理论还没没有掌握，在在试验中我们们可能做出一一些错误的模模拟试验设置置，结果当然然就得出一些些错误的信息息。比如在金金属须Whiisker的的认证试验中中，有些试验验采用了高温温高湿老化的的方法，这做做法虽然能够够通过加快原原子迁移促使使焊点的金属属须增长加快快，但事实上上也同时会对对焊点或材料料产生煅烧退退火的效应，从从而减少金属属须增长的几几率。但在实实际使用中，金金属迁移会在在室温下出现现，煅烧退火火的效果却不不会在室温下下形成，所以以我们得到的的试验结果可可能偏好而造造成错
12、误的判判断；3 如果我们们研究多数的的试验设计，在在试验中人们们很容易忽略略了SMT故故障形成的复复杂因果关系系（或许是为为了简化试验验而有意忽略略），而只用用过于简单的的几项变数控控制来进行试试验和分析。例例如有一个实实际例子中，某某试验在对不不同PCB焊焊盘保护材料料进行比较时时，采用了众众多OSP中中的一种，而而后认定OSSP的能力不不能接受，表表现和他们建建议的纯锡差差别很大。事事实上OSPP不只种类多多，还和其他他材料一样受受到供应商加加工和质量控控制能力的重重大影响。但但这些先决条条件都没有在在试验前进行行分析控制，而而作出了可能能具备误导性性的结论。图图二可以让我我们更清楚看看出
13、这类问题题。我们假设设用户选择的的试验条件（材材料配搭、工工艺参数等）是是图中的#11的话，那他他得出的结论论是OSP和和ENIG不不良，ENEEG不稳定，IImAg最好好而应该被推推荐。但他如如果采用了试试验条件#22，他则认为为所有不同的的PCB处理理都没有什么么不同的表现现。这是截然然不同的两种种结论！而最重要的，是是用户的实际际情况是什么么？用户的材材料、设计、工工艺、设备、加加工厂能力等等等的技术整整合结果，是是处于条件中中的#1？#2？还是其其他的点上？这在SMTT技术中是个个不容易的工工作，需要对对各种工艺、设设计、材料、设设备等等都有有很好掌握的的人员才能处处理得合理。在工作中
14、我见过过有不少的试试验设计，是是考虑不周的的。这也说明明了为什么很很多报告，其其结果不能吻吻合。4 热循环疲疲劳失效试验验是研究可靠靠性中最主要要的方法之一一。为了缩短短试验时间，一一般都采用高高应力，高应应变的试验做做法。但业界界也发现，很很多焊料的特特性表现，在在低应力、低低应变的情况况下显得不稳稳定和出现不不同的结论。而而实际应用上上，焊点所面面对的是大范范围的应力和和应变。但很很少试验是在在低应力、低低应变下进行行的。而这方方面的高与低标标准，以及他他们和产品设设计、应用等等上的关系等等等知识资料料也很缺乏；5 可靠性特特性的针对性性相当强。比比如类似“使使用在BGAA的可靠性好好”这
15、样的评评语，事实上上是不够精确确的。我们发发现，BGAA的大小，BBGA的焊端端（Bumpp）数量也都都影响可靠性性结果。例如如一份报告中中发现，9个个焊端的CSSP，其可靠靠性就比244个焊端的小小了1.5倍倍！而我们并并没有资源对对所有的不同同组合（器件件封装、焊料料、PCB、工工艺参数、设设计等）进行行试验分析。这这就是说，我我们不免有一一部分（还不不知道有多大大的一部分？）情况完全全没有把握到到；6 保护各自自利益影响信信息的真实性性。我们不难难发现，业界界的供应商们们所发表的资资料，都是说说无铅可行行。而一些些研究院或用用户的报告，则则总是在结尾尾上提到还还需要研究认认证！。这这在一定程度度上也是受到到本身利益的的影响而过滤滤了某些信息息。当然，其其坏处是误导导一些经验不不足，资源不不足的用户。基于以上的原因因。我认为我我们在接触无无铅信息资料料的同时，必必须对各个资资料的背景、细细节等进行相相当程度的分分析判断。并并要求收集众众多的信息进进行比较。而而最有用的，是是拥有自己本本身的认证开开发能力。以以往有铅时代代的抄用做法，在进进入无铅后会会可能给您带带来问题。如此说来，是否否所有的用户户都必须大量量的投入可靠靠性研究？这这也未必。我我们还得来看看看风险。可靠性风险有多多大：知道了了存在的重重重问
