无铅焊接可靠性：成为关注热点

 

目前，电子制造正处于从有铅向无铅焊接过渡的特殊阶段，无铅材料、印制板、元器件、检测、可靠性等方面都没有标准，由于有铅和无铅混用时，特别是当无铅焊端的元器件采用有铅焊料和有铅工艺时会发生严重的可靠性问题。

无铅工艺对元器件的挑战首先是耐高温。要考虑高温对元器件封装的影响。由于传统表面贴装元器件的封装材料只要能够耐240℃高温就能满足有铅焊料的焊接温度了，而无铅焊接时，对于复杂的产品焊接温度高达260℃，因此元器件封装能否耐高温是必须考虑的问题。另外还要考虑高温对器件内部连接的影响。IC的内部连接方法有金丝球焊、超声压焊，还有倒装焊等方法，特别是BGA、CSP和组合式复合元器件、模块等等新型的元器件，例如倒装BGA、CSP内部封装芯片凸点用的焊膏就是Sn-3.5Ag焊接，熔点221℃，如果这样的器件用于无铅焊接，那么器件内部的焊点与表面组装的焊点几乎同时再熔化、凝固一次，这对于器件的可靠性是非常有害的。因此无铅元器件的内部连接材料也要符合无铅焊接的要求。

有铅元器件的焊端绝大多数是Sn/Pb镀层，而无铅元器件焊端表面镀层的种类很多。究竟哪一种镀层最好，目前还没有结论，因此还有待无铅元器件标准的完善。无铅工艺对助焊剂的要求，首先由于焊剂与合金表面之间有化学反应，因此不同合金成分要选择不同的助焊剂。无铅焊剂必须专门配制。随着无铅进程的深入，由于焊料厂商的努力，无铅焊膏质量有了很大改善。目前的无铅焊点从外观上看已经比前几年有了改善。

无铅焊接可靠性问题是制造商和用户都十分关心的问题。尤其是当前正处在从有铅向无铅焊接过渡的特殊阶段，无铅材料、印刷板、元器件等方面都没有标准，甚至在可靠性的测试方法也没有标准的情况下，可靠性是非常令人担忧的。现阶段的无铅工艺，特别是在国内还处于比较混乱的阶段。由于有铅和无铅混用时，特别是当无铅焊端的元器件采用有铅焊料和有铅工艺时，会发生严重的可靠性问题，这些问题不仅是当前过渡阶段无铅焊接要注意，而且对于过渡阶段的有铅焊接也是要特别注意的问题。

因为铅是比较软的，容易变形，因此无铅焊点的硬度比Sn/Pb高，无铅焊点的强度也比Sn/Pb高，无铅焊点的变形比Sn/Pb焊点小，但是这些并不等于无铅的可靠性好。由于无铅焊料的润湿性差，因此空洞、移位、立碑等焊接缺陷比较多，另外由于熔点高，如果助焊剂的活化温度不能配合高熔点，由于助焊剂浸润区的温度高、时间长，会使焊接面在高温下重新氧化而不能发生浸润和扩散，不能形成良好的界面合金层，其结果导致焊点界面结合强度(抗拉强度)差而降低可靠性。

据美国伟创立、Agilent等公司的可靠性试验，例如推力试验、弯曲试验、振动试验、跌落试验，经过潮热、高低温度循环等可靠性试验结果，大体上都有一个比较相近的结论：大多数民用、通信等领域，由于使用环境没有太大的应力，无铅焊点的机械强度甚至比有铅的还要高，但在使用应力高的地方，例如军事、高低温、低气压等恶劣环境下，由于无铅蠕变大，因此无铅比有铅的可靠性差很多。

 

关于无铅焊点的可靠性(包括测试方法)还在研究阶段。

目前正处在无铅和有铅焊接的过渡转变时期，大部分无铅工艺是无铅焊料与有铅引脚的元件混用。在"无铅"焊点中，铅的含量可能来源于元件的焊端、引脚或BGA的焊球。

有铅焊料与无铅焊端混用时，有铅焊料先熔，而无铅焊端(球)不能完全熔化，使元件一侧的界面不能生成金属间合金层，BGA、CSP一侧原来的结构被破坏而造成失效，因此有铅焊料与无铅焊端混用时质量最差。BGA、CSP无铅焊球是不能用到有铅工艺中的。

高温对元件有不利影响。陶瓷电阻和特殊的电容对温度曲线的斜率(温度的变化速率)非常敏感，由于陶瓷体与PCB的热膨系数CTE相差大，在焊点冷却时容易造成元件体和焊点裂纹，元件开裂现象与CTE的差异、温度、元件的尺寸大小成正比。0201、0402、0603小元件一般很少开裂，而1206以上的大元件发生开裂失效的机会较多。

铝电解电容对温度极其敏感。连接器和其他塑料封装元件(如QFP、PBGA)在高温时失效明显增加。粗略统计，温度每提高10℃，潮湿敏感元件(MSL)的可靠性降1级。解决措施是尽量降低峰值温度，对潮湿敏感元件进行去湿烘烤处理。

无铅焊料的返修相当困难，主要原因是无铅焊料合金润湿性差、温度高、工艺窗口小。

无铅返修应注意：选择适当的返修设备和工具，正确使用返修设备和工具，正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料，正确设置焊接参数。

无论从环保、立法、市场竞争和产品可靠性等方面来看，无铅化势在必行。目前无铅焊接还处于过渡和起步阶段，从理论到应用都还不成熟，迫切需要加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究。面临2006年7月1日即将到来，我们应该做好准备，例如收集资料、理论学习等。

无铅焊接合金成分的标准化目前还没有明确的规定。无铅化的核心和首要任务是无铅焊料。据统计全球范围内共研制出焊膏、焊丝、波峰焊棒材等100多种无铅焊料，但真正公认能用的只有几种。最有可能替代Sn/Pb焊料的无毒合金是Sn基合金。以Sn为主，添加Ag、Cu、Zn、Bi、In、Sb等金属元素，构成二元、三元或多元合金，通过添加金属元素来改善合金性能，提高可焊性、可靠性。虽然Sn基无铅合金已经被较广泛的应用，但与Sn63/Pb37共晶焊料相比，无铅合金焊料仍然存在熔点高、表面张力大、润湿性差、价格高等问题。

目前无铅标准还没有完善，因此无铅元器件焊端表面镀层的种类很多。美国镀纯Sn和Sn/Ag/Cu的比较多。日本的元件焊接端镀层种类比较多，各家公司有所不同，除了镀纯Sn和Sn/Ag/Cu外，还有镀Sn/Cu、Sn/Bi等合金层。由于镀Sn的成本比较低，因此采用镀Sn工艺比较多，但由于Sn表面容易氧化形成很薄的氧化层，加电后产生压力，在不均匀处会把Sn推出来，形成Sn须。Sn须在窄间距的QFP等元件处容易造成短路，影响可靠性。对于低端产品以及寿命要求小于5年的元器件可以镀纯Sn，对于高可靠产品以及寿命要求大于5年的元器件采用先镀一层厚度约为1μm以上的Ni，然后再度2μm～3μm厚的Sn。

虽然国际国内都在不同程度地应用无铅技术，但目前还处于过渡和起步阶段，从理论到应用都还不成熟，没有统一的标准，对无铅焊接的焊点可靠性还没有统一的认识，因此无论国际国内无铅应用技术都非常混乱，大多企业虽然焊接材料无铅化了，但元器件焊端仍然有铅。究竟哪一种无铅焊料更好，哪一种PCB焊盘镀层对无铅焊更有利，哪一种元器件焊端材料对无铅焊接焊点可靠性更有利，什么样的温度曲线最合理，无铅焊对印刷、焊接、检测等设备究竟有什么要求等等都没有明确的说法。总之，对无铅焊接技术众说纷纭，各有一套说法、各有一套做法。这种状态对无铅焊接产品的可靠性非常不利。因此目前迫切需要加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究。

首先，有铅工艺遇到无铅元器件。

有的SMT加工厂，虽然还没有启动无铅工艺，但是也遇到了无铅元器件，特别是BGA/CSP和LLP。有的元件厂已经不生产有铅的器件了，因此采购不到有铅器件，这种知道采购的器件是无铅的情况还不可怕，因为可以通过提高焊接温度，一般提高到230℃～235℃就可以。还有一种措施可以采用无铅焊料和无铅工艺，因为目前过渡阶段普遍情况是无铅焊料和有铅焊端混用，其可靠性还是可以被接受的。但是最糟糕的是无意中遇到了无铅元器件，生产前没有发现，生产中还是采用有铅焊料和有铅工艺，结果就非常糟糕，因为有铅焊料和无铅焊端混用效果最差。

第二，波峰焊问题。

波峰焊问题比较多，例如目前有铅工艺遇到无铅元器件；无铅工艺的插装孔、导通孔不上锡；分层现象较严重；桥接、漏焊等缺陷多；锡锅表面氧化物多等。

解决措施可以从以下几方面考虑，首先备料。备料要注意元器件的焊端材料是否无铅，如果是无铅元器件，一定要弄清楚是什么镀层材料，特别是BGA、CSP和新型封装的器件，例如LLP等。

目前无铅标准还没有完善，因此无铅元器件焊端表面镀层的种类很多，例如日本的元件焊端镀Sn/Bi层，如果焊料中含有铅，当铅含量<4wt%时，Bi会与铅形成93℃的低熔点，影响产品可靠性，因此镀Sn/Bi的元件只能在无铅焊料中使用。

其次物料管理。对于有铅、无铅两种工艺并存的企业，务必注意制订严格的物料管理制度，千万不能把有铅、无铅的焊膏和元器件混淆。

此外，无铅印刷要提高印刷精度，提高贴片精度，严格控制温度曲线，尽量降低峰值温度。(作者：北京电子学会SMT专业委员会委员 顾霭云)