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、可靠性等方面都沒有標準，由于有鉛和無鉛混用時，特別是當無鉛焊端的元器件采用有鉛焊料和有鉛工藝時會發(fā)生嚴重的可靠性問題。
   有鉛焊接向無鉛焊接過渡
   無鉛工藝對元器件的挑戰(zhàn)首先是耐高溫。要考慮高溫對元器件封裝的影響。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，對于復雜的產(chǎn)品焊接溫度高達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)部封裝芯片凸點用的焊膏就是Sn-3.5Ag焊接，熔點221℃，如果這樣的器件用于無鉛焊接，那么器件內(nèi)部的焊點與表面組裝的焊點幾乎同時再熔化、凝固一次，這對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準的完善。
   無鉛工藝對助焊劑的要求，首先由于焊劑與合金表面之間有化學反應(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。目前的無鉛焊點從外觀上看已經(jīng)比前幾年有了改善。
   過渡時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準，甚至在可靠性的測試方法也沒有標準的情況下，可靠性是非常令人擔憂的。現(xiàn)階段的無鉛工藝，特別是在國內(nèi)還處于比較混亂的階段。由于有鉛和無鉛混用時，特別是當無鉛焊端的元器件采用有鉛焊料和有鉛工藝時，會發(fā)生嚴重的可靠性問題，這些問題不僅是當前過渡階段無鉛焊接要注意，而且對于過渡階段的有鉛焊接也是要特別注意的問題。
   因為鉛是比較軟的，容易變形，因此無鉛焊點的硬度比Sn/Pb高，無鉛焊點的強度也比Sn/Pb高，無鉛焊點的變形比Sn/Pb焊點小，但是這些并不等于無鉛的可靠性好。由于無鉛焊料的潤濕性差，因此空洞、移位、立碑等焊接缺陷比較多，另外由于熔點高，如果助焊劑的活化溫度不能配合高熔點，由于助焊劑浸潤區(qū)的溫度高、時間長，會使焊接面在高溫下重新氧化而不能發(fā)生浸潤和擴散，不能形成良好的界面合金層，其結(jié)果導致焊點界面結(jié)合強度(抗拉強度)差而降低可靠性。
   據(jù)美國偉創(chuàng)立、Agilent等公司的可靠性試驗，例如推力試驗、彎曲試驗、振動試驗、跌落試驗，經(jīng)過潮熱、高低溫度循環(huán)等可靠性試驗結(jié)果，大體上都有一個比較相近的結(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，無鉛焊點的機械強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)于無鉛焊點的可靠性(包括測試方法)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，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。
   高溫對元件有不利影響。陶瓷電阻和特殊的電容對溫度曲線的斜率(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，在焊點冷卻時容易造成元件體和焊點裂紋，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)生開裂失效的機會較多。
   鋁電解電容對溫度極其敏感。連接器和其他塑料封裝元件(如QFP、PBGA)在高溫時失效明顯增加。粗略統(tǒng)計，溫度每提高10℃，潮濕敏感元件(MSL)的可靠性降1級。解決措施是盡量降低峰值溫度，對潮濕敏感元件進行去濕烘烤處理。
   無鉛焊料的返修相當困難，主要原因是無鉛焊料合金潤濕性差、溫度高、工藝窗口小。
   無鉛返修應(yīng)注意：選擇適當?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、市場競爭和產(chǎn)品可靠性等方面來看，無鉛化勢在必行。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，迫切需要加快對無鉛焊接技術(shù)從理論到應(yīng)用的研究。