作者：Robert Rowland
无铅印刷电路板（PCB）有许多问题，需要我们充分重视。不仅要充分了解PCB材料的各种重要特性，还要对材料的无铅可靠性进行充份的测试。
IPC的一份无铅报告认为，全面实现无铅焊接是“可行”的，产业界把重心和测试都放在焊点、元件和PCB的可靠性等问题上，对于锡须问题也非常重视。在我看来，我们在焊点可靠性上已经做得很不错了，不存在沒预料到的问题。元件和锡须一样，尽管锡须问题需要长期关注。但是根据墨菲定律，总是存在弱点，而目前的无铅PCB正在应验这个预言。我在以前提到过，转向无铅焊接将使PCB材料面对巨大的挑战。
无铅再流焊的温度大约比锡铅大约高25°C，工艺窗口更窄。锡铅再流焊的最高温度在220°C左右，PCB的最高温度大约为230°C，允许有10°C的误差。无铅再流焊的最高温度达到245°C，PCB的最高温度大约是250°C，根据我的经验，允许的误差较小，只有5°C。印刷电路板材料既要能承受更高的焊接温度和更长的停留时间又不能影响可靠性。可惜的是，问题还是出现了。常见的缺陷包括BGA焊盘坑裂、开裂和脱落。
与锡铅PCB材料相比，无铅PCB材料更硬、更脆，因此比较容易出现BGA焊盘坑裂和内部开裂。焊盘坑裂通常是由于受到机械应力（例如PCB弯曲）引起的，而开裂往往是因受到热应力（例如再流焊）而产生的。
BGA焊点的结构比普通焊点更复杂，它还包括在焊点下面在两面（BGA和PCB）上的粘接强度和层压强度。当锡铅焊点受到过大的机械应力时，焊点往往会在PCB的接口处断裂。但是，当无铅BGA焊点受到的机械应力过大时，在PCB焊盘下面的层压板会开裂，而不是焊点。这充分说明无铅PCB比较脆的特点。
开裂可能会产生导电性细丝（CAF），它从阳级生长到阴极而且可能会造成PCB内部短路。CAF往往出现在金属化导通孔（PTH）和其他内部PCB构件之间，例如导线或者接地层。在钻孔时，如果做得不好，会在孔壁四周形成很小的裂纹。在再流焊过程中产生的应力可能会扩大裂缝，并且进一步扩大到PCB内部，可能会在PTH和导线或者电源和接地层之间形成通路。在加电的情况下，CAF可能造成功能性短路，甚至会把热量积累起来，使层压板碳化，降低层压板的绝缘性能，结果造成层与层之间相连并且造成灾难性故障。
我们不仅要充分了解PCB材料的关键特性，而且还必须对材料进行充份的测试，保证它满足无铅焊接的要求。iNEMI在《高度复杂的耐热电子组件对无鉛制造的要求》中，总結了PCB材料的关键特性，这些特性是：
• 玻璃化转换温度（Tg）。它是指高分子材料由坚硬状态变成柔软状态的温度。只有Tg并不足以说明PCB材料的耐热性好。FR4材料的Tg大约是125-175°C。
• 热膨胀系数（CTE）。這是指当温度高于或者低于Tg时材料膨胀或者收缩的量，一般用每°C多少ppm表示。因为Z轴膨胀过度会造成导通孔开裂，所以人们十分关注这个问题。
• 材料的分解温度（Td）。在这个温度下材料会断裂。FR4材料的Td大约是300-360°C。
• 脱落时间（T260 = 260°C和T288 = 288°C）。它是指在某个温度下材料能够经过多长时间不会脱落。T288是无铅PCB的一个重要特性参数。
与无铅PCB有关的铜的溶解往往出现在熔化的焊料与PCB接触的时候。我们可以在波峰焊中看到这种现象，但是当焊料在焊锡炉返工过程中，由于停留时间比较长，这种现象会加剧而且更有害。在焊接中，到了熔化温度（260°-270°C）时，对于SAC无铅焊料，铜的溶解率是锡铅的三到四倍。当停留时间超过30至40秒时，裸露的导线和焊盘会有大量的铜溶解。
结论
在转向无铅焊接的过程中，我们有时忽视了PCB。现在回想起来，这的确实是个错误。许多与无铅PCB有关的难题需要我们充分地重视。
参考文献
1.“Round Robin Testing and Analysis of Lead-free Solder Pastes with Alloys of Tin, Silver, and Copper Report,” www.ipc.org.
2.iNEMI, www.inemi.org.
