无铅焊接缺陷的分类及其成因

作者:Gerjan Diepstraten Vitronics Soltec

多数应用中，在找到最优化的工艺设定后，无铅焊接能达到切换前一样或更好的质量结果。只是在物料清单及某些供应商方面会有一些变化。
但是，由于电子组件的品种非常多，必定存在着例外情况，对一类组件有利的方面也许会对另一类有害。不同的熔点，新的金属间化合物，失配的延展性，以及其他物理特性等，除了会带来新问题外，还会使老问题加剧，并暴露出来。

　　外观问题还是缺陷
　　合格的波峰或选择性焊接意味着在两个表面或物件之间形成良好的焊点（建立物理及电的连接），并且在加工过程中没有损害部件。表面应具有良好的润湿性（可焊性），焊料在焊接过程中能够保持熔融态，并在焊点形成中温度不会降至熔点以下，这被称作热可焊性。只有在表面可焊性和热可焊性条件都得到满足时，才能形成这样的焊点——焊料能够对插装或混装板的过孔做到充分填充。
　　无铅焊接中首先注意到的是外观灰白并粗糙，非常不同于我们已经习惯的锡铅（尤其是Sn/Pb/Ag）焊点光滑亮泽的特点。按照锡铅焊点的外观标准要求，无铅焊点会被认为是不良。
　　标准的缺失导致正确判断缺陷与否变得不清晰。最近的IPC-A-610D为质量工程师提供了定义缺陷及可接受的标准。如典型的焊接问题，如焊点裂纹、焊角翘离、焊盘翘起、表面皱缩，以及空洞等，这些问题一直处于是否认定为缺陷或者仅仅是不影响焊点可靠性的外观异常的争论。
　　此外，涉及到的与无铅焊料合金相关的新材料和板的表面处理方式，导致了很多新问题的发生。这些缺陷或问题的产生并不是因为无铅合金本身，而是由于对那些新的线路板镀层的应用。这包括已知的现象，如：黑焊盘，多孔金层，OSP或化学锡保护层的氧化，以及化学银镀层变暗。





　　与元件相关的缺陷
　　1.与元件镀层相关的缺陷。主要是锡须问题，另外有铅污染以及含铋镀层——会导致焊接中低熔点环节而产生缩孔，波峰焊接时的二次回流，增加焊角翘离的风险。
　　2.低质量原材料导致的缺陷。这包括湿气的吸收、塑料的熔化或变形、无铅焊接的高温引起基材分层。
　　最好使用符合RoHS的元件而不仅仅是无铅元件。符合RoHS的元件意味着不仅耐高温，而且只有这种材料不违反即将实施的欧洲RoHS指令。

　　与线路板相关的缺陷
　　表面不可焊
　　多数与不同电路板镀层相关的缺陷是由于抗侵蚀能力差或者是过程控制的问题。在大多数情况下这意味着待焊接表面已经有氧化，甚至在进行焊接之前已经失去可焊性。每种电路板镀层有不同的失效机理。
　　化学镍金：金是优良的表面镀层，在无铅焊接中易于溶解并且不会氧化或变暗。但多孔金层或黑盘现象会影响可焊性。
　　化学锡：在铜焊盘和纯锡层之间形成的SnCu金属间化合物，一旦金属间化合物到达表面会迅速氧化而导致焊接面可焊性变差。表面结构形态研究表明，化学锡结构疏松而呈颗粒状。因此要求有适当的厚度以防止焊盘露铜。
　　化学银：它是一种很薄的沉积（100～200nm），因此容易被检查工具的针脚损坏。制造过程中由于空气中含有了硫和氯化物可能会致使其发黄。厚的无光泽银硫化物层会影响可焊性。
　　有机可焊性保护层（OSP）：OSP必须保证铜表面在焊接前和焊接过程中的可焊性。存储过程中未被防护的铜表面被氧化导致形成Cu2O，而后生成 Cu2O和CuO的混合物。
　　与温度相关的缺陷
　　很多潜在的缺陷源于更高的焊接温度。基材之间以及基材和铜之间的分层，线路板变形是由于低质量线路板和高温效果共同造成的典型缺陷。



　　元件问题
　　管理和标识符合RoHS的元件是实施无铅化最困难的一个部分。没有确立的标准，元件供应商已经开发了不同的无铅标识方法，有一些会改变元件编号，而另一些会根据日期转换到符合RoHS元件。
　　这样会导致混淆，元件的不同镀层——有铅和无铅的混用会产生危害。例如BGA有铅和无铅锡球的混用是非常有害的质量因素，由于不同材料的熔化特性不同，焊球可能会不完全熔化或者造成空洞增加。
　　不完善的存储条件会是另一种危害。无铅焊接的高温要求更稳定的塑料，不易吸收水汽，不易发生爆米花缺陷。爆米花效应是由于塑料封装中吸收了水汽，快速加热造成的元件内部的分层并发生爆裂。因此，审核湿度敏感等级是必需的。
　　在所有无铅镀层中，纯锡是批量生产中使用最多的材料。这种镀层在锡铅焊接工艺中已经应用于无数的SMD陶瓷电容上，至今没有出现过商用问题，是一种非常可靠的替代SnPb的元件镀层。但仍然需要考虑锡须现象。
　　在无铅应用中，Sn镀层和基材或底层的正确结合，为元件提供了足够的防护。纯锡在极度低温时容易形成锡瘟，锡瘟是一种白色锡向粉状灰色锡的转变，它是一种非金属特性的同素异形体。这种现象最早发现于历史上拿破仑的军队进军莫斯科，军装的锡制系扣差不多碎裂了。研究表明SnCu呈现类似的特征。