通过 HASL 技术可以在PCB表面形成一层焊料 作为可焊性表面，该技术已经使用多年。近年 来，随着电子行业无铅化的推进，许多人已经 预言该技术将被终结。
作者曾经发表多篇论文，探讨不同 HASL 工艺参数对 老化后 IMC 生长的影响。本文章重点阐述锗的作用，锗不 但可以阻止氧化物的生长，而且能够阻止无铅焊料表面在 HASL 过程和随后回流过程中的变黄和失去光泽。
本文以Sn-Cu-Ni专利合金（SN100C，电子组装中广 泛使用在波峰焊、选择性波峰焊、手工焊中）为对象进行 了详细的测试分析。在PCB行业，SN100CL（HASL 型号 即为 SN100C）事实上已经成为无铅 HSAL 的标准焊料合 金，其成分为99.3% Sn，0.7% Cu，0.05% Ni 和名义含量 65ppm 的 Ge。
其中 Ni 添加的作用机理目前还不是很清楚，一般认 为 Ni 的添加促进了 Cu6 Sn5 IMC 的晶核形成，从而使 整个合金共晶凝固。缺少 Ni 时，Sn-0.7Cu 凝固过程中主 要形成初Sn相，导致灰暗、褶皱、收缩龟裂的表面，表现 出典型无铅焊料的表面特征。选用 SN100CL 合金的好处 是其为共晶凝固且靠近熔点时具有更好的流动性，这种好 的流动性对 HASL 工艺是非常有益的，与 Sn-Pb 焊料类 似，SN100CL 合金会形成平滑、明亮、发光的表面（图1 所示）。SN100C/SN100CL 熔点为 227℃，名义上为共晶组分。
SN100 中另一关键元素为锗，即使其含量很小，但可以明显地减轻 SN100 的表面氧化（图2）。
工艺
HASL 工序首先将光板浸入熔融的焊料缸中，在离开焊 料缸时，多余的焊料通过单板两侧的气流吹掉。HASL 主要 有水平和垂直两种模式，垂直模式如图3所示，图4是一种垂直 HASL 设备的照片。
对于无铅HSAL，选择一种合适的无铅合金至关重 要，SN100CL 被认为无铅 HASL 的标准合金，理由如下：
1. SN100 不会攻击不锈钢材质的锡炉；
2. Cu 在 SN100 中的溶解比在 SAC 焊料中的更易控制；
3. SN100 合金表面更平滑、明亮和金属光泽；
4. 相对低的原材料成本。
在过去的5年里，大部分的 HASL 设备制造商一直忙于 改装其设备以适用于无铅 HSAL。不同的厂家改进的方式也有差异，其中最普遍的方式就是在原来锡铅 HSAL 设备基础上进行改装，改装主要涉及以下方面：
1. 在焊料缸中额外增加加热设备和更好的控温系统以 适用无铅焊料更高的熔点；
2. 可加热风刀；
3. 更高功率的焊料泵，增加锡炉中焊料的流动性， 以获得更均匀的表面处理。
本文关注的重点并不在于设备的设计改装，只是让读 者对此有一定的了解，如果有兴趣，可以向制造商了解更 多的信息。
锗的作用研究
一般认为，锗是用于抑制无铅波峰焊中 SN100 合金氧 化物生长和熔渣的形成。最近，我们遇到客户反馈电路测 试的问题：电路测试时发现由于焊点表面氧化严重，探针 无法刺破表层氧化膜，当时认为可能是由于锗的含量低的 缘故。
有一个假定是由于锗的化学活性强于锡，在焊料中作 为被牺牲品替代锡被氧化掉了。锡的氧化物为绝缘体，除 了阻止电信号通过，还导致焊料表面明显发黄。
为了证实这个想法，我们利用 SERA（循序电化学还原 分析法）来测量氧化亚锡、氧化锡薄膜厚度并分析其与锗含量的关系。共测量三种 HASL 锡炉温度、三种锗含量、 回流0-2次等不同组合条件下，焊料表面氧化膜的厚度，冷 却方式为空冷。
首先进行一组不含锗的焊料测试，随后向焊料缸中加 入锗，当锗含量达到上限时，测试此时的氧化膜厚度；接 着向焊料缸中添加 SnCuNi 焊料棒，稀释锗含量，当含量稍 低于锗含量下限时，进行最后一组测试。测试中锗含量分 别为：0ppm、27ppm（低含量）、78ppm（高含量）。测 试的目的是研究不同锗含量对 SN100 焊料表面氧化膜的影 响。不含锗的一组实验结果如下：
图5中的表格表明，经过回流后，几乎所有组合的表面 处理都变黄，氧化物总体厚度随着回流次数增加而增加， 且存在氧化亚锡向氧化锡的转变，这和预料的一致。HASL 锡炉温度对氧化膜影响相对次要。
锗含量增加后对结果的影响见图6。从图中可以看到， 不同HSAL锡炉温度、回流次数条件下，几乎没有氧化层的 形成和表面变黄现象。
正如前面所提到的，通过向锡炉中添加 SnCuNi 焊料棒 稀释锗含量，直至低于推荐的 40-80ppm 规格范围。在本 研究中，锗含量为 27ppm，HASL 锡炉温度、回流次数对焊料表面氧化膜厚度的影响如图7所示。
正如所预料的，27ppm时表面氧化膜的厚度正好处在高低两个水平之间。
在图8中，我们以 275℃ 锡炉温度条件下回流2次的试 验结果为对象，分析了锗含量对氧化膜厚度的影响，从图 中可以很清晰的看到，锗对氧化物的形成有着非常显著的 抑制作用。
结论
本次研究已经证实，锗可以减小无铅HASL工艺中 SN100焊料表面氧化膜的形成。锗含量在推荐的规格范围 内可以显著的减少回流前后 SN100 焊料表面的氧化，其表 面氧化程度与 HASL 锡炉温度及回流次数有一定相关性， 但最主要的决定因素是锗含量。
N2 回流气氛的影响也做了少量的实验验证。N2条件下 也可以减少氧化亚锡向氧化锡的转化，但不是所有的试验 组别都能复现；此外，所有实验组合都有焊料表面发黄的 现象。这表明，N2 氛围并不能有效的阻止表面氧化变黄。
这个结果非常重要的，许多客户和 OEM 厂商不愿看到 回流后锡氧化变黄、失去光泽，同时导致了组装后电路性能测试失效。