焊锡可靠性

焊锡可靠性

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，目前大多数的报告和宣传，都认为无铅的多数替代品，都有和含铅焊点具备同等或更好的可靠性。不过我们也同样可以看到一些研究报告中，得到的是相反的结果。尤其是在不同 PCB 焊盘镀层方面的研究更是如此。对与那些亲自做试验的用户，我想他们自然相信自己看到的结果。但对与那些无能力资源投入试验的大多数用户，又该如何做出选择呢？我们是选择相信供应商，相信研究所，还是相信一些形象领先的企业？我们这回就来看看无铅技术在质量方面的状况。

什么是良好的可靠性？

当我们谈论可靠性时，必须要有以下的元素才算完整。

1 ．使用环境条件（温度、湿度、室内、室外等）；

2 ．使用方式（例如长时间通电，或频繁开关通电，每天通电次数等等特性）；

3 ．寿命期限（例如寿命期 5 年）；

4 ．寿命期限内的故障率（例如

5 年的累积故障率为 5% ）。

而决定产品寿命的，也有好几方面的因素。包括：

1 ． DFR （可靠性设计，和 DFM 息息相关）；

2 ．加工和返修能力；

3 ．原料和产品的库存、包装等处理；

4 ．正确的使用（环境和方式）。

了解以上各项，有助于我们更清楚的研究和分析焊点的可靠性。也有助于我们判断其他人的研究结果是否适合于我们采用。

由于以上提到的许多项，例如寿命期限、 DFR 、加工和返修能力等等，他人和我的企业情况都不同，所以他人所谓的‘ 可靠 ' 或‘ 不可靠 ' 未必适用于我。而他人所做的可靠性试验，其考虑条件和相应的试验过程，也未必完全符合我。这是在参考其他研究报告时用户所必须注意的。

举个例子说，很多试验都报告说无铅技术容易出现‘ 气孔 ' 故障。从常见无铅合金的特性上来看，无铅是较容易出现‘ 气孔 ' 。但合金特性不是唯一的因素。对‘ 气孔 ' 问题来说，更重要的因素是焊剂配方（也就是锡膏种类）、炉子性能、工艺设置 / 调制能力、 DFM 和器件焊端材料等。如果用户不掌握这些知识，则可能随意的作了一些试验后见到‘ 气孔 ' 多，就说‘ 气孔 ' 在无铅中是个问题。而实际上，气孔在无铅中，是可能比那些不懂得处理技术整合的用户，在有铅技术中控制得更好的。

可靠性并非是三言两语可以说清楚的。而是一门需要很多定义、规范、认证、数据支持等等工作的科学。

可靠性研究面对的问题：

上面我提到目前无铅技术的可靠性仍然具有一定的风险。这风险来自什么地方，或是什么原因造成会有风险呢？以下是一些主要的原因。

1 ．目前使用来判断可靠性（寿命）的常用做法是通过热循环的加速老化试验方法，通过加温减温来给焊点制造应力而使其最终断裂，并记录其寿命（一般是热循环次数），制图和进行比较来评估。而事实上，在应用中我们的条件是和试验中有所不同的。例如温度变化的不规律性、较大的蠕变混合模式等等，这都不是试验中有照顾到的。而目前我们还缺乏一套能够从试验室内的单纯模拟，按实际使用情况推算出实际寿命的方法。所以试验室内的结果，和实际应用中有可能出现较大的差别。而这种差别，在无铅新材料上我们甚至没有理论上的预计和判断，对其变化关系几乎是完全不懂；

无铅的焊接问题：

无铅焊接的质量问题，有许多模式是和锡铅技术中一样的。因为篇幅问题，我在本文中就不多加解释。我们只看看无铅技术中较特有的问题。这些问题，一般都是因为三个因素所造成： 1 。高温焊接环境； 2 。锡 Sn 的特性；以及 3 。替代铅的其他金属或合金特性。

我们先来看看高温带来的问题。首先受到影响的，是器件封装的耐热问题。在无铅技术的推荐焊接温度上（ 245 – 255 ℃），温度比起以往 SnPb 的最高约 235 ℃高出了 20 度。这对以往器件只保证承受 240 ℃来说，肯定是存在损坏风险的。而像 BGA 一类器件的使用，其本身封装在焊接中的温度就高过焊点温度。加上其‘ 较冷 ' 热特性的焊点，当满足 BGA 的焊接条件时，容易使到同一PCBA 上的其他小热容量器件的温度高出许多，这又进一步加强了热损坏的风险。所以业界一些机构如IPC 等建议所有定为无铅合格的器件，必须要能承受得起数次通过峰值温度高达 260 ℃的最低要求（注四）。不过这里要提醒的，是这是器件供应商用来测试的标准。和实际应用中有一定的不同。由于实际 PCBA 上存在热容量及对流条件的不同，我们是可能很难同时满足焊点的焊接温度需求以及封装的耐热需求的。就如以上提到的 BGA 例子，当 BGA 底部的中间焊点达到 255 ℃时， BGA 的封装是很可能超过 260 ℃的。对于较厚的 BGA 封装，标准中还允许其保证在较低的温度（如 245 ， 250 ℃，注四）。这在实际应用中可能出现问题。

高温度带来的问题，还有以下各种故障：

§ PCB 变形和变色

§ PCB 分层

§ PCB 通孔断裂

§ 器件吸潮破坏（例如爆米花效应）

§ 焊剂残留物清除困难

§ 氧化程度提高以及连带的故障（如气孔、收锡等）

§ 立碑

§ 焊点共面性问题（虚焊或开焊）

§ 焊点残留的内应力

以上的各种故障，其处理方法和有铅技术并没有太大的不同。主要是程度上要做得更到位，并对技术整合管理的要求更高。

除了高温问题，无铅还带来了以下已经为业界发现的特有问题。

焊点的剥离（ Lifted Pad ）：

这类故障现象多出现在通孔波峰焊接工艺中，但也在回流工艺中出现过。现象是焊点和焊盘之间出现断层而剥离（图四）。这现象的主要原因是无铅合金的温度膨胀系数和基板之间出现很大差别，导致

在焊点固化的时候在剥离部份有太大的应力而使他们分开。一些焊料合金的非共晶性也是造成这种现象的原因之一。所以处理这问题主要有两个主要做法，一是选择适当的焊料合金，另一是控制冷却的速度，使焊点尽快固化形成较强的结合力。除了这方法外，我们还可以通过设计来减少应力的幅度，也就是将通孔的铜环面积减小。日本有一个流行的做法，是使用 SMD 焊盘设计。也就是通过绿油阻焊层来限制铜环的面积。但这种做法有两个不理想的地方。一是较轻微的剥离不容易看出；二是 SMD 焊盘在绿油和焊盘界面的焊点形成，从寿命的角度上来看是属于不理想的（注五）。

有些剥离现象出现在焊点上（图五），称为裂痕或撕裂（ Tearing ）。这问题如果在波峰通孔焊点上出现，在业界有些供应商认为是可以接受的。主要因为通孔的质量关键部位不在这地方。但如果出现在回流焊点上，应该算是质量隐忧问题，除非程度十分小（类似起皱纹）。

铅污染问题：

由于铅的加入对锡的特性影响很大，当我们把铅除去后，在焊接过程中如果有铅的出现，将会对焊点的特性和质量造成影响。很不幸的是不良的影响。这现象我们称之为‘ 铅污染 ' 。而由于从有铅到无铅的切换并非瞬时间的，所以在过渡期间我们很可能会同时存在有铅和无铅的材料（尤其是器件焊端材料）。所以我们必须了解和掌握铅对无铅焊点的影响。

铅的出现或铅污染可能对焊点造成以下的两种影响：

1 ．熔点温度的降低（程度看铅的含量而定）；

2 ．焊点寿命的损失（这方面十分敏感）；

至于在焊接性和工艺性上则影响不多。因为一般铅的成分不会很多，不足以在工艺上造成影响。

铅对熔点温度的影响相当敏感，例如对常用的 Sn3.5Ag 焊料来说， 1% 的铅的出现就能使其熔点从 221 ℃下降到 179 ℃；而在目前建议给波峰焊接使用的 Sn0.7Cu 来说， 1% 的铅也使其熔点从227 ℃下降到 183 ℃。

目前发现对铅污染最敏感的是含有 Bi 的合金。当 Pb 和 Bi 在一起出现时，会产生熔点只有

96 ℃的 IMC ，大大降低焊点的寿命。业界曾作过一些试验，发现含 0.5% 的铅（注六）会使 Sn3.5Ag3Bi 焊点的机械强度下降原来的 60% ；而其疲劳寿命也下降了 32% 左右（注七）。

铅对不含 Bi 的焊点也有很大的破坏。例如在 Sn1.5Ag3.1Cu 合金中， 0.5% 的铅会使寿命减少到没有污染的 43% 左右。不过关键是，其他不含 Bi 的合金寿命一般比 SnPb 高出一定的程度。所以即使在受到铅污染的破坏后，其寿命仍然合格，即相当或过于 SnPb 焊点。比如 Sn1.5Ag3.1Cu 焊点在0.5% 铅污染的情况下，其疲劳寿命仍然有 SnPb 焊点的 2 倍。

所以一般认为，只要不含 Bi ，铅污染的问题不会太严重。但这里我做个提醒，未必所有可用的无铅合金都已经过认证。所以用户必须确保本身采用的焊料合金对铅污染的敏感性。和您的供应商探讨这问题是重要的。

‘ 克氏空孔 ' （ Kirkendall Voids ，注八）：

这是一种固态金属界面间金属原子移动造成的空孔现象。由美国克肯多先生于 1939 年发现并以其姓氏命名。在无铅技术中，由于一般焊料的 Sn 含量比传统的 Sn37Pb 高很多，而 Sn 和其他金属如Au ， Ag 和 Cu 等很容易出现这种克氏空孔现象（图六）。所以在无铅中算是一种较新的故障模式。

图六显示在铜焊盘和锡焊点之间存在 Cu6Sn5 的 IMC 层。而在 Cu 和 Cu6Sn5 的界面，由于 Cu 进入 Sn 的速度快，会造成一些无法填补的空孔（图中黑色部份）。这就是克氏空孔了。

克氏空孔的形成速度和温度有很大的关系，温度越高增长越快。这是因为高温增加了原子活动能量的关系。所以要预防克氏空孔的危害，必须在材料和温度上着手。一般 Au ， Ag 和 Cu 是最容易和 Sn 间出现克氏空孔的。用户必须在这方面给于小心处理。例如用于高温的焊点（注九），其界面材料选择就应该避开使用 Au ， Ag 或 Cu 直接和高 Sn 含量的焊点接触。比如使用 Ni 层隔离等方法。而在工艺中，例如使用 Ni/Au 镀层的，就必须确保其镀层厚度和工艺参数（焊接温度和时间）配合，使 Au 能够完全的溶蚀并和 Ni 间形成 IMC 。这问题容易出现在较冷的 BGA 底部。

OSP 镀层由于在焊点形成后 Cu 和高 Sn 含量的焊点直接接触，所以对与高温应用并不是很理想。

金属须（ Whisker ）问题：

在含铅技术中，金属须（图六）的问题并不被大多数人重视。因为大约 >3% 的铅能够很好的阻止金属须的生长。但其实金属须问题在含铅技术中已经存在。在航天和军用设备上已经有遭受其危害的事例。如今当我们在无铅技术中将铅去除后，绝大多数的合金都属于高 Sn 含量，甚至有 100%Sn 在器件和 PCB 焊盘镀层上的应用被看好的。 Sn 是一种较容易出现金属须的金属。所以金属须问题在无铅技术中就成了个较热门的话题和研究对象了。

金属须并不需要环境条件来助长。目前业界对其原理还没有下定论，但一般较相信是因为内层 Sn 的应力所引起的。金属须没有固定的形状（图七），针形的一般可长到数十微米或更长（曾发现近 10mm 的）。也没有明确的生长时间，有数天到数年的巨大变化范围。

业界目前在金属须课题上面对的问题，是还没有人真正了解其机理和控制方法。虽然经过多年的研究，人们已经整理出好些有用的经验，但却还不能确定该如何预防或控制金属须。比如亚光锡（ Matte Sn ）的使用，虽然是目前被推荐的主要方法之一，但业界也曾发现过在亚光锡上出现的金属须。这说明这技术还不是绝对可靠的。由于了解的不到位，目前业界也没有一套被认可试验的方法。这也增加了对其研究的困难。

通过各方的研究以及业界的经验，整理出较被认可的论点可以总结如下：

在影响金属须生长的因素方面有：

§ 金属种类和合金成分

§ 金属镀层的厚度

§ 镀层表层的微晶结构

§ 镀层的电镀工艺（电镀液配方和电镀参数）

§ 库存温度（发现在 10 ℃以下增长较快）

§ Sn 中的碳和有机物含量

§ 机械应力（内部和外加）

在处理或预防方法上，有用的经验有：

§ 使用亚光锡，目前还推出据说更好的锻光锡工艺

§ 使用较厚的 Sn 镀层

§ 对已经电镀好的 Sn 面进行浸锡加工

§ 在 Sn 中加入其他金属（例如 Bi ， Sb ， Cu 等）

§ 在 Sn 的镀层和基材间加上另外一层不同金属（比如镍），改变其 IMC 界面的金属迁移特性

§ 电镀后煅烧退火

§ 三防喷涂

§ 减少 PCBA 安装时的机械力（例如螺丝孔造成的扭曲力等）

以上方法在一定程度上有效，但还不足于给人们完全放心。目前在这课题上的状况是“ 风险不算大，但随机性强，还需要不断摸索研究！”

锡瘟问题：

锡瘟是锡在低温下改变其微晶结构相位所造成的一种现象。锡瘟在形成时的体积增长约 26% ，性质很脆，称粉状，所以对焊点会造成可靠性问题。形成时出现像疙瘩状的表面（图八）。锡瘟有一定的延迟生长时间，可能达数年之久。但一旦开始形成就会快速的蔓延。锡瘟一般在低于 13.2 ℃以下开始形成，约在 -30 几度时形成速度最快。

锡瘟现象曾被发现在 SnCu ， SnZn ，和 SnAg 合金中，表示无铅材料可能具有这方面的风险。 Sn 中的 Al 和 Zn 杂质也会助长锡瘟。在有铅技术中，锡瘟不是个关注的问题，因为 Pb 可以阻止锡瘟的形成。我们也发现两种较 Pb 还能阻止锡瘟的金属，就是 Bi 和 Sb 。少量的（ 0.2-0.5% ）的 Bi 或Sb 能够预防锡瘟。所以这是个推荐的方法。

虽然我们对锡瘟的现象和原理已经有较好的了解。但在 SMT 无铅技术中，锡瘟并不是一个重点研究的对象。这可能是由于锡瘟不像金属须问题，它在电子业中并没有具体的破坏事例。在 70 年代，当时器件的镀层是以纯 Sn 为主，也就是最敏感的。但也没有报告说受到锡瘟问题的破坏。所以，锡瘟的目前状况，也是属于一个有担心但非急于解决的问题。