線路板無鉛焊接的可靠性問題探討

   目前，電子制造正處于從有鉛向無鉛焊接過渡的特殊階段，無鉛材料、印制板、元器件、檢測(cè)、可靠性等方面都沒有標(biāo)準(zhǔn)，由于有鉛和無鉛混用時(shí)，特別是當(dāng)無鉛焊端的元器件采用有鉛焊料和有鉛工藝時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的可靠性問題。
   有鉛焊接向無鉛焊接過渡
   無鉛工藝對(duì)元器件的挑戰(zhàn)首先是耐高溫。要考慮高溫對(duì)元器件封裝的影響。由于傳統(tǒng)表面貼裝元器件的封裝材料只要能夠耐240℃高溫就能滿足有鉛焊料的焊接溫度了，而無鉛焊接時(shí)，對(duì)于復(fù)雜的產(chǎn)品焊接溫度高達(dá)260℃，因此元器件封裝能否耐高溫是必須考慮的問題。
   另外還要考慮高溫對(duì)器件內(nèi)部連接的影響。IC的內(nèi)部連接方法有金絲球焊、超聲壓焊，還有倒裝焊等方法，特別是BGA、CSP和組合式復(fù)合元器件、模塊等等新型的元器件，例如倒裝BGA、CSP內(nèi)部封裝芯片凸點(diǎn)用的焊膏就是Sn-3.5Ag焊接，熔點(diǎn)221℃，如果這樣的器件用于無鉛焊接，那么器件內(nèi)部的焊點(diǎn)與表面組裝的焊點(diǎn)幾乎同時(shí)再熔化、凝固一次，這對(duì)于器件的可靠性是非常有害的。因此無鉛元器件的內(nèi)部連接材料也要符合無鉛焊接的要求。
   有鉛元器件的焊端絕大多數(shù)是Sn/Pb鍍層，而無鉛元器件焊端表面鍍層的種類很多。究竟哪一種鍍層更好，目前還沒有結(jié)論，因此還有待無鉛元器件標(biāo)準(zhǔn)的完善。
   無鉛工藝對(duì)助焊劑的要求，首先由于焊劑與合金表面之間有化學(xué)反應(yīng)，因此不同合金成分要選擇不同的助焊劑。無鉛焊劑必須專門配制。隨著無鉛進(jìn)程的深入，由于焊料廠商的努力，無鉛焊膏質(zhì)量有了很大改善。目前的無鉛焊點(diǎn)從外觀上看已經(jīng)比前幾年有了改善。
   過渡時(shí)期可靠性問題值得關(guān)注
   無鉛焊接可靠性問題是制造商和用戶都關(guān)心的問題。尤其是當(dāng)前正處在從有鉛向無鉛焊接過渡的特殊階段，無鉛材料、印刷板、元器件等方面都沒有標(biāo)準(zhǔn)，甚至在可靠性的測(cè)試方法也沒有標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可靠性是非常令人擔(dān)憂的?，F(xiàn)階段的無鉛工藝，特別是在國(guó)內(nèi)還處于比較混亂的階段。由于有鉛和無鉛混用時(shí)，特別是當(dāng)無鉛焊端的元器件采用有鉛焊料和有鉛工藝時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的可靠性問題，這些問題不僅是當(dāng)前過渡階段無鉛焊接要注意，而且對(duì)于過渡階段的有鉛焊接也是要特別注意的問題。
   因?yàn)殂U是比較軟的，容易變形，因此無鉛焊點(diǎn)的硬度比Sn/Pb高，無鉛焊點(diǎn)的強(qiáng)度也比Sn/Pb高，無鉛焊點(diǎn)的變形比Sn/Pb焊點(diǎn)小，但是這些并不等于無鉛的可靠性好。由于無鉛焊料的潤(rùn)濕性差，因此空洞、移位、立碑等焊接缺陷比較多，另外由于熔點(diǎn)高，如果助焊劑的活化溫度不能配合高熔點(diǎn)，由于助焊劑浸潤(rùn)區(qū)的溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)使焊接面在高溫下重新氧化而不能發(fā)生浸潤(rùn)和擴(kuò)散，不能形成良好的界面合金層，其結(jié)果導(dǎo)致焊點(diǎn)界面結(jié)合強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度)差而降低可靠性。
   據(jù)美國(guó)偉創(chuàng)立、Agilent等公司的可靠性試驗(yàn)，例如推力試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)，經(jīng)過潮熱、高低溫度循環(huán)等可靠性試驗(yàn)結(jié)果，大體上都有一個(gè)比較相近的結(jié)論：大多數(shù)民用、通信等領(lǐng)域，由于使用環(huán)境沒有太大的應(yīng)力，無鉛焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度甚至比有鉛的還要高，但在使用應(yīng)力高的地方，例如軍事、高低溫、低氣壓等惡劣環(huán)境下，由于無鉛蠕變大，因此無鉛比有鉛的可靠性差很多。
   關(guān)于無鉛焊點(diǎn)的可靠性(包括測(cè)試方法)還在初期的研究階段。
   目前正處在無鉛和有鉛焊接的過渡轉(zhuǎn)變時(shí)期，大部分無鉛工藝是無鉛焊料與有鉛引腳的元件混用。在"無鉛"焊點(diǎn)中，鉛的含量可能來源于元件的焊端、引腳或BGA的焊球。
   有鉛焊料與無鉛焊端混用時(shí)，有鉛焊料先熔，而無鉛焊端(球)不能完全熔化，使元件一側(cè)的界面不能生成金屬間合金層，BGA、CSP一側(cè)原來的結(jié)構(gòu)被破壞而造成失效，因此有鉛焊料與無鉛焊端混用時(shí)質(zhì)量最差。BGA、CSP無鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的。
   高溫對(duì)元件有不利影響。陶瓷電阻和特殊的電容對(duì)溫度曲線的斜率(溫度的變化速率)非常敏感，由于陶瓷體與PCB的熱膨系數(shù)CTE相差大，在焊點(diǎn)冷卻時(shí)容易造成元件體和焊點(diǎn)裂紋，元件開裂現(xiàn)象與CTE的差異、溫度、元件的尺寸大小成正比。0201、0402、0603小元件一般很少開裂，而1206以上的大元件發(fā)生開裂失效的機(jī)會(huì)較多。
   鋁電解電容對(duì)溫度極其敏感。連接器和其他塑料封裝元件(如QFP、PBGA)在高溫時(shí)失效明顯增加。粗略統(tǒng)計(jì)，溫度每提高10℃，潮濕敏感元件(MSL)的可靠性降1級(jí)。解決措施是盡量降低峰值溫度，對(duì)潮濕敏感元件進(jìn)行去濕烘烤處理。
   無鉛焊料的返修相當(dāng)困難，主要原因是無鉛焊料合金潤(rùn)濕性差、溫度高、工藝窗口小。
   無鉛返修應(yīng)注意：選擇適當(dāng)?shù)姆敌拊O(shè)備和工具，正確使用返修設(shè)備和工具，正確選擇焊膏、焊劑、焊錫絲等材料，正確設(shè)置焊接參數(shù)。
   無論從環(huán)保、立法、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和產(chǎn)品可靠性等方面來看，無鉛化勢(shì)在必行。目前無鉛焊接還處于過渡和起步階段，從理論到應(yīng)用都還不成熟，迫切需要加快對(duì)無鉛焊接技術(shù)從理論到應(yīng)用的研究。