关键词： 无铅钎接、缺陷、故障、快速诊断

 

1 概述

产品制造是连接于产品设计与市场营销通道上的一个关键环节，任何一个完美的产品设计，均必须通过先进的产品制造，将其精雕细刻成推向市场的精品。显然产品制造对产品形成的速度和质量有着关键的影响，把守好产品制造现场这一前哨阵地，意义更为重大，这是因为：

① “时间就是效益”：产品制造现场是产品制造中异常现象的高发地，且情况复杂多变。守住这块阵地，就可以赢得时间争创高效益。现在电子制造是一个复杂的系统工程，要不让其出一点异常这是天方夜谭，问题是出了异常如何尽快诊断处理，这才是核心。因为生产线一旦出现异常，通常都是先停产等待问题的处理。若现场工程师们能迅速诊断，快速决策，做到快速恢复生产，损失就可减到最小。否则，产品线就可能要继续停下去，直到问题得到处理。如此损失也就要不断地累积下去。这就体现了“时间就是效益”的哲理。

② “质量就是市场”：生产现场是产品制造中质量缺陷的首发地。因此，守住並巩固这块阵地，就可以将产品生产中的大部分缺陷和故障阻断在前端工序中。按照国际上流行的“返修成本的十倍原则”，故加强对产品制造前端工序缺陷和故障的有效监控，不让其流入后端工序，就可以成十倍地节约返修成本，增加利润率，而且高质量的产品还可赢得更多的市玚。

③ 优化产品质量的监控方法：有效的筛选程序能够快速地使潜在的焊点缺陷 (也就是没有充分润湿的焊点) 失效，同时又不会对高质量的焊点造成破坏。最好的筛选方法是选择随机振动（振幅：0.25～0.5mm；加速度：6～10grms），优选温度为40℃条件下进行随机振动。这样的负载不会对好的焊点产生破坏，但是对差的焊点则会产生过应力，让缺陷暴露无遗。

热冲击也是一种很好的筛选方法，但是会对好的焊点产生破坏，尤其是大元器件的焊点。

 

2 无铅焊点的基本形貌特征

2.1 概述

合格的无铅焊点，意味着在被连接的表面之间形成了良好的物理的、电气的连接，且焊接过程中没有损伤元器件；被连接的表面具有良好的润湿性和热可焊性，只有在表面可焊性和热可焊性条件都得到满足时，才能获得敷形良好的优良焊点。

目前由于对无铅焊接质量标准的缺乏和不完整，导致正确判断焊点的缺陷变得不清晰。最新的标准J-STD-001和IPC-A-610所定义的缺陷及可接受的标准，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之中。

无铅焊料（SnAgCu）的焊点，与我们已习惯的光滑亮泽的锡铅焊点非常不同，如图1、图2所示。按照锡铅焊点的外观标准要求，无铅焊点往往会被认为是不良的。

图1 有铅、无铅焊点的不同(1)

图2 有铅、无铅焊点的不同⑵

2.2 无铅焊点的外观特征及其形成机理

2.2.1 现象

用无铅焊料合金焊接的焊点，其外观呈橘皮状、无光泽、灰暗、颗粒状形态，如图3所示。

图3 无铅焊点的外观

 

2.2.2 形成机理

由于SnAgCu无铅焊料大多为非共晶成分，因而焊点在冷却凝固过程中，纯Sn(熔点为232 ℃)会率先自然冷却。Sn在凝固过程中首先生成树枝状的结晶核，然后这些晶核在冷却过程中不断长大，形成树枝的主干和枝干，相当于凝固后的表面凸出部分，如图4所示。从焊点的总体外观看呈现出许多颗粒状的突起，微切片中可清楚地见到纯Sn枝晶的分布，如图5所示。

                               

图4 SAC中Sn冷凝形成的技晶          图5 树状组织导致表面凸凹不平

 

2.2.3 可接受性

对采用无铅焊料合金和大热容量的PCB焊接(再流焊、波峰焊)工艺，产生暗淡无光泽、发灰或沙粒状的外观，这些都是正常焊点，都是可以接受的。

 

2.3 有铅、无铅焊点的共有缺陷现象

与有铅焊接一样，无铅焊接也普遍存在着诸如：虚焊、冷焊、桥连、针孔、洞穴、露铜、扰动焊点等缺陷。由于无铅焊料熔点高，润湿性差，故这些缺陷在无铅焊接中表现的更为突出。

与有铅焊接相比，无铅焊接还存在着下述所列的一些特有的缺陷现象。

 

3 无铅波峰焊接中特有的缺陷现象及其诊断

3.1 透孔不良

⑴ 现象：波峰焊接中钎料不能透入引脚的导通孔中，如图6所示。

图6  透孔不良

⑵ 形成原因：

·助焊剂未渗透到孔内；

·助焊剂在预热阶段损失过多，进入波峰后数量不足；

·助焊剂活性不足；

·焊接热量不足，导致钎料润湿性不良；

·元器件焊端或PCB焊盘和导通孔可焊性不良；

·元器件热容量过大或散热过快。

⑶ 可接受性：  L ≥ 75%T ，如图7-图8所示。

图7 可接受           图8 接受

 

3.2 钎料缩孔和热裂

3.2.1 现象：裂缝是一种出现在无铅焊点表面上的裂缝形的小切口或小间隙。如图9、图10所示。

               图9 缩孔                 图10 热裂

 

3.2.2 形成原理

目前对无铅焊点出现的微裂隙原理有下述几种解释：

① 由于热胀冷缩机制再加上钎料在凝固过程中存在一个糊状阶段，此阶段正是钎料强度很脆弱的时刻。因此，钎料最终固化成的表面就必然出现不少微裂隙的粗糙表面；

② 由于这一部分糊状体是最后凝固的，固化过程中其体积要缩小4%左右，由于体积的缩小就会在枝晶间形成了凹陷部分(缩孔)。

③ 元器件引脚镀层熔解浸入焊点内，少量的Pb或Bi的残余会优先驻留在晶粒的边界上，引起早期晶粒边界的裂隙。

④ 孔大引脚细，故设计时应采用适当的引脚直径/孔径比例；

⑤ 合金污染，操作中应监控合金污染程度，特别是Pb；

⑥ 冷却速率不合适：

• 快速冷却，裂纹多，但是浅；

• 慢速冷却，裂纹少，但是深。

 

3.2.3 形成机理

当采用SAC钎料合金进行波峰焊接时，由于热容量大的接合部的冷却时间要长些，因此在钎料表面易发生缩孔现象。

图11 缩孔形成机理

图11描述了使用SAC钎料合金在波峰焊接过程中，表面缩孔的形成机理。钎料在凝固过程中，最后凝固的是填充在已经凝固的树枝状Sn相结晶间缝隙中的Sn-Ag₃Sn共晶相。Sn-Ag₃Sn共晶相凝固过程中，首先发生在表面的凝固收缩现象不断向内部发展，其结果便形成了洞穴。由于该洞穴是发生在树枝状Sn相结晶之间的缝隙中，故从外观上看是由裂缝形成的缩孔。

日本有专家对缩孔和由金属疲劳而引发的裂缝的焊点，进行了专题试验研究。试验是以SAC钎料合金的焊点为对象，按-40～125℃各30min的条件进行温度循环试验，1000次循环后用扫描电子显微镜观察钎料表面状态，如图12所示。

图12 SAC钎料合金缩孔和金属疲劳产生裂缝表面状态的差异

对缩孔和由金属疲劳引发的裂缝之间的差异，试验研究的结论是：

• 缩孔和裂缝的形状不同：缩孔的表面是非常光滑的；而由高、低温循环试验形成的金属疲劳裂缝，其表面形状呈尖锐状。

• 形成的原因不同：缩孔是由自然凝固形成的；而金属疲劳裂缝是由周期循环应力作用形成的。

• 发生的位置不同：缩孔是发生在焊台中央附近钎料较厚的部位，而金属疲劳裂缝是发生在引脚附近或孔角上方钎料较薄的部位。

 

3.2.4 可接受性

无铅波峰焊接工艺中极易发生缩孔和热裂现象，要获得像Sn37Pb那样表面平整光滑的焊点几乎是不可能的。问题是对这类焊点从可靠性角度出发，在什么样的情况下是可以接受的。

通过广泛的试验研究和论证，目前业界普遍认为热裂/缩孔只要其不大深(可见到其底部)时，大多情况下很少影响PCBA的可靠性，因而，这种缺陷是可以接受的，如图13所示。

 

     图13 热裂纹可见到底部

而当缩孔或热裂纹出现下述情况时，则可判为不合格焊点。

· 缩孔或热裂纹大深，不见底，如图14所示；

· 缩孔或热裂纹已触及到焊盘，如图15所示；

· 缩孔或热裂纹已触及到引脚，如图16所示；  

· 缩孔或热裂纹已触及到孔壁，如图17所示。

图14  目视时深不见底

图 15 已触及到焊盘  图16 已触及到引脚  图17 已触及到孔壁

 

3.3 焊缘起翘

3.3.1 起翘的定义

在无铅波峰焊接后，在基板、焊料、元器件引脚界面引起的剥离现象，总称为起翘现象。从广义上讲，无铅波峰焊接工艺中发生的起翘现象，和机械疲劳破裂而引起的剥离现象是不相同的。无铅波峰焊接所发生的起翘现象，可区分为下述四种不同的类型：

① 角焊缝起翘剥离：此现象的特征是：起翘都是发生在焊盘和焊料相连接的界面上或附近，如图18、图19所示。

      

  图18焊缘起翘 (1)        图19 焊缘起翘 (2)

② 焊盘剥离：焊盘剥离是发生在基材与焊盘之间的分离现象，如图20、图21所示。

        

图20 焊盘起翘(1)       图21 焊盘起翘(2)

③ 在基材内部剥离：此缺陷的特征是剥离发生在焊盘下的基材内部，如图22、图23所示。

④ 焊料和引脚间的剥离：焊料和引脚之间分离的主要表现形式，如图24所示。

上述现象当引脚镀层为Sn10Pb时最容易发生。引脚和焊料之间的剥离现象，外观观察是较难发现的，通常要切片分析才能观察到。

图22 基材内部分离(1)

                            

       图23 基材内部分离(2)         图24 焊料和引脚之间的分离

 

3.3.2 起翘现象发生的机理

① 发生起翘的金相组织特征：为了搞清楚起翘的形成机理，首先必须了解起翘的金属组织特征。图25示出了用Sn3Bi合金焊接金属化通孔的状态。从图中可见，焊料圆角和Cu焊盘间有数μm的浮起。从图24中可以明显地看到焊料圆角表面的组织状态是呈树枝状结晶，由此揭示了凝固过程不是在同一时间内进行的证据。

日本学者菅沼 克昭通过试验得出了，在焊点圆角内各点的固化率达到0.9时的时间分布，如图26所示。

图25  用Sn3Bi合金焊接金属化通孔时的起翘现象

图26  焊点凝固过程的温度分布模型

从图26中可见，对Cu引线、Cu焊盘和通孔内的Cu镀层紧密连接的区域，焊料的凝固时间将明显迟后。由于Cu的热传导（热传导系数为389W/m•k）比基板（热传导系数为0.301W/m•k）大了1292倍，就是比SnBi合金也大了约13倍。因此，在焊接过程中在通孔内基板中心储藏的大量热量，只能先传递给Cu，然后再向外部传导散发。即此没有Bi等溶质的偏析发生，和焊料圆角相接触的Cu焊盘面的液相状态，将保留到凝固的最终阶段。因此，当沿界面的垂直方向受到力的作用时，便很容易发生起翘现象。

液态焊料开始冷却凝固时，树枝结晶组织首先凝固成固态的结晶核，在此基础上并不断发育成长，焊料圆角的表面便形成了明显的凹凸不平，如上图26所示。

图27  Sn-Bi、Pb、In等2元合金的起翘发生率及其与合金成分的关系

在凝固过程中，在液体中最初生成的是稳定的微小固体的核，从核到固体的生成中，由于受结晶方位等的影响，最终发育成树枝状。树干部分叫成一级结晶干，枝叫成二级结晶干。充满在干与干，枝和枝之间间隙中的熔液，到凝固的最后瞬间还是液态。合金的溶质原子（如Sn）从熔液体中析出便生长成固体的树干，而如果是SnBi合金时，在圆角的间隙里，即表面的凹陷部分，便生成了Bi的微偏析。从圆角的横断面看，Bi的偏析在圆角的间隙中生成的范围为数μm到数十μm。

合金元素对起翘现象的影响，Bi是最明显的，In、Pb也有影响，如图27所示。

② 起翘发生的机理：导致无铅焊接中焊盘起翘和焊点开裂主要有下述几个原因：

㈠ 材料间CTE严重不匹配：基板和焊料、Cu等的热膨胀系数的失配是引发起翘现象的重要因素。基板是纤维强化的塑料（FRP），它沿板面方向的热膨胀系数小，可以确保被搭载的电子元器件的热变形小。作为复合材料，面积方向的热膨胀和垂直方向的热膨胀差异很大。沿板面垂直方向的收缩是很大的(例如，FR-4厚度方向的热膨胀系数CTE是Sn的10倍以上)。如果在界面上存在液相时，只要圆角有热收缩便会从基板上翘起来，而且一旦翘起来就不能复原。

沿Z轴方向PCB基板材料(环氧玻璃)FR-4薄片和铜箔导线，以及铜过孔之间的热膨胀系数(CTE)存在明显的差异，如图28所示。

图28 焊点起翘的断面模型

而且PCB基板沿厚度方向的热胀系数(CTE)还与温度有关，例如：。当温度为：

            (23～103)℃时：    CTE＝ 80×10^-6；

            (103～153)℃时：    CTE＝220×10^-6；

            (153～217)℃时：    CTE＝340×10^-6。

假定PCB板厚为2mm，那么当PCB由23℃升至217℃时的总热膨胀尺寸为：

△ L ＝ 2.0×{80×(103－23)＋220×(153－103)＋340×(217－153)}×10^-6＝78320×10^-6 ＝78.32×10^-3mm

而Cu的CTE＝17×10^-6，可计算得过孔镀铜层的热膨胀尺寸为：

△C ＝ 2.0×17×(217－23)×10^-6 ＝ 6596×10^-6 ＝ 6.596×10^-3mm。

上述二者热膨胀尺寸之差达到了71.724×10^-3mm(13.87倍)。如此之大的差异，导致了焊点尚未凝固时就被CTE的巨大差异所拉裂了。

不同的基板材质，在波峰焊接中发生起翘现象也是有差别的。图29以连接器的焊点为例，在不同的基板材质情况下发生起翘情况的比较。

条件：焊料：Sn3.0Ag0.5Cu ；焊接温度：250 ℃ ；冷却方法：自然冷却；焊盘直径：φ1.6 mm；引脚电镀：Sn0.7 Cu； 部件：连接器(2.54 mm，□0.64 mm)。

图29 不同的基板材质起翘情况比较

 

3.3.3 从起翘发生的机理看抑制的对策

① 影响起翘发生的各种因素：涉及起翘现象的发生及其影响的各种因素，归纳起来如表1所示。

表1 起翘的发生及其影响因素

② 抑制的对策

针对凝固中发生的首位缺陷的起翘现象的抑制对策，主要可归纳如下：

㈠ 釆用单面基板。

㈡ 不使用添加了Bi、In的合金：抑制固、液共存区域的宽度是非常重要的，而且为了避免从高温下开始凝固，期望液相线能尽量低些。

㈢ 不用镀SnPb的插入引脚元器件。

㈣ 加快焊接的冷却速度：防止树枝状结晶的形成，就意味着防止偏析的发生，例如釆用水冷就能有效的抑制树枝状结晶的形成。图30是在实验室条件下，用水冷形成的焊接圆角，就没有发生微偏析。图31是在实际的波峰焊接设备上获得的效果。由图中可见冷却速度愈大效果愈好。

图30 圆角表面光滑起翘现象被完全抑制

㈤ 慢冷却：冷却过程中在发生起翘前停止温度下降，即用退火的方法来降低起翘的发生率，如图32所示。

图31 控制波峰焊接机冷却装置的冷却速度对抑制起翘现象的效果

图32 由冷却途中的退火降低起翘的发生率

由于退火促进了Bi的偏析，防止有害的偏析全集中在界面上。树枝结晶主干的退火也兼有减轻残留应力的作用。

㈥ 添加能使组织细化的合金元素：如添加微量的第3种元素，能有效地抑制Bi的偏析，这是最期待的方法，然而到现在还未找到有效的解决策略。

㈦ 阻止Cu的热传导：在基板设计时用热传导较差的的金属替代Cu，除去通孔内的Cu柱（孔壁镀层），或者考虑引入隔热层和釆取基板热传导好的散热设计等。也可以釆用有内部电极的多层基板等。

㈧ 釆用热收缩量小的基板材料：目前所使用的基板，沿厚度方向的收缩量比焊料和引线等都要大。减小该值即能减小起翘的发生。例如，Sn37Pb合金的CTE是24.5×10^-6，，从室温升到183℃时体积会增大1.2％。而从183℃降到室温，体积的收缩却达4％，故锡铅焊料焊点冷却后有时也有缩小现象。因此有铅焊接也存在起翘，尤其在PCB受潮时。

无铅焊料焊点冷却时也同样有凝固收缩现象，由于无铅熔点高、与PCB的CTE不匹配更严重、更易出现偏析现象。因此，当存在PCB受热变形等应力时，很容易产生起翘，严重时甚至会造成焊盘剥落。

㈨ 基板的热传导设计：通过对基板的热传导设计，以实现基板内热量的有效散失。

㈩ 焊盘尺寸和波峰温度：焊盘直径大小对焊盘剥离率也有较大影响，当釆取阻焊膜定义焊盘时，其抑制率几乎可达100%，如图33所示。温度及焊接气氛对起翘高度的影响，如图34所示。

      图33 焊盘直径对焊盘剥离率的影响(镀Ni/Pd、孔径：1mm)

图34温度及焊接气氛对起翘高度的影响

3.4 ENIG Ni( P)/Au焊盘润湿不良

3.4.1 现象

釆用 ENIG Ni（P）/Au 镀覆工艺的PCB板，在波峰焊接中发现 PTH 孔及焊盘对焊料不润湿，如图 35所示。

从图 35右侧图中红箭头所指的区域为明显的反润湿区域，即表面似有非常薄薄的焊料膜，颜色稍暗但不黑。显然润湿不良非黑盘现象所造成。

对缺陷 PTH 孔纵向切片，可见孔壁也存在润湿不良现象，如图36所示。

         

图35 缺陷的外观表现图           图36 缺陷 PTH 孔纵向切片图

对釆样点 1 及采样点2的SEM/EDX分析，分别示于图37和图38所示。

图 37 釆样点 1 的 SEM 图           图38 釆样点 2 EDX 图

从图37、图 38所显示的元素分布看：两个釆样点均只有 P、Ni 二元素，且 P 元素的含量出奇的高，未发现有氧元素的存在。

 

3.4.2 形成原因及机理

① 形成原因：

· SEM/EDX 两个釆样点均未发现有氧元素的存在，显然可以排除氧化镍(NixOy)的存在，即不存在“黑盘”现象的影响。

· SEM/EDX 两个釆样点均发现 P 元素含量出奇的高（采样 1 为：11.71 wt %；采样 2 为：11.37  wt %）。，已经进入ENIG Ni（P）/Au镀覆层的高 P 范围，这是造成本次缺陷案例的根本因素。

② 机理：对ENIG Ni/Au工艺的最基本要求是：可焊性和焊点的可靠性，能耐受3次再流焊接。板面镀金是以低应力镍或光亮镍为底层，镍镀层厚度为 3～5μm。它作为金、铜之间的阻挡层，可阻止金、铜间的相互扩散，并阻挡铜穿透到金表面。就该镀层的实质而言，化学镀镍是主体，化学镀金只是为了防止Ni层的钝化而存在。

化学镀 Ni 层的含磷(P)量，对镀层可焊性和耐腐蚀性是至关重要的：

• 低 P (P＜7wt％)：镀 Ni 层耐腐蚀性差，易氧化，而且在腐蚀环境中由于 Ni-Au 的腐蚀原电池作用，会对 Ni/Au 的 Ni 表面层产生腐蚀，生成Ni的黑膜( Ni_xO_y )，这对可焊性和焊点的可靠性都是极为不利的。

• 中P[(P=(7-10)wt%]：是一般焊接情况所要求的范围。

• 高P(P＞10wt％)：虽然镀层抗腐蚀性提高，然而磷含量大高，润湿性受到损害，抗热应力和焊接强度都会降低；过高了镀层还会发脆。

新生态的 Ni 和 P 的化学反应式为：

3Ni +  P → Ni3P

 

3.4.3 解决措施

加强对釆用 ENIG Ni（P）/Au镀覆层来料中P的监控，要求PCB生产厂商要严格确保，按焊接要求的最适宜的含P范围（(7-10)wt%），组织生产和质量验收。