第一篇：手工無鉛焊接過程控制分析

手工無鉛焊接過程控制分析

由于很多公司開始面對無鉛焊接的工藝挑戰，手工焊接以及相關技術已經被認為是制造中的關鍵因素，需要更過的研究與發展。

手工焊接一般發生在生產線的末端，這時的PCB板已經具有很高的內在價值，所以手工焊接的過程控制是否正確對生產率與成本的高低有重要的影響。焊錫絲 過程控制

現在許多生產商對衡量手工焊接質量的標準主要靠檢查烙鐵頭的溫度。隨著無鉛焊接溫度比傳統焊接溫度的提高，焊接熔點的提高，需要一種更為全面的衡量標準參數。

IPC 要求在一個固定時間段，手工焊接根據經驗要達到最佳的焊點連接溫度。它不是強調絕對的焊接溫度，而是強調焊點的熱交換效率。

諸如烙鐵頭的形狀尺寸，焊接時的功率輸出與焊接的時間長短都對焊點的熱交換效率有影響，所以這些因素在檢測，控制與分析無鉛焊接過程時都應該考慮進去。

手工焊接過程可以分為以下幾步：

(A)烙鐵頭應該清理干凈，上錫，選擇合適的形狀以保持和焊點/焊盤最大的接觸面積。

(B)烙鐵頭與焊點的接觸點的溫度應該在焊錫絲熔點以上40℃ 保持2-5秒，在此期間助焊劑產生作用并揮發，焊錫絲熔化。

(C)焊錫絲熔化以后，開始覆蓋焊點焊盤與通孔。

(D)烙鐵頭離開焊點，熔化的焊錫凝固。

焊接處的溫度

對任何手工焊接過程，焊接點形成的正確溫度對于形成優質的焊點都是至關重要的，通過檢查焊接點金屬層的厚度與內部金屬結構可以清楚地分析出焊接中傳遞給焊點的熱量是否正確。

焊接表面可以反映出焊點焊盤在電路板上形成是否良好。

控制焊點處金屬層厚度對于形成可靠的連接是很重要的。焊點內部金屬形成速率與焊接溫度與焊接時間有關。如果烙鐵提供的熱量過大，會增大焊點金屬層的體積，從而導致焊點產生易脆的缺陷。提供的熱量過小，會使焊點熔化不足

第二篇：無鉛焊接技術

無鉛焊接技術

無鉛焊接技術

無鉛化已成為電子制造錫焊技術不可逆轉的潮流。

一、鉛的危害

鉛會對人體的中樞神經造成危害，1㎡的鉛產品，只有0.05mg對人體有影響，如果人吃進鉛，有10%不能排出，如果是從空氣吸入人體，有30%不能排出，歐洲工業組織（WEEE）要求2006年7月1日全球電子產品實行無鉛（即推出ROHS標準之一）無鉛的規定要求產品的每一部份不論大小都不能超過0.1%含量的鉛。

二、無鉛焊料

1、滿足條件：①從電子焊接工藝出發，為了不破壞元器件的基本持性，所用鉛焊料的熔點為183℃，否則將超過電子元器件的耐熱溫度（240℃）②其次從可焊性的觀點出發，必須與電子元件及PCB板的鍍層有良好的潤濕性。

③具耐熱疲勞性能。

2、分類：SN—Ag系列

SN—Ag-Cu系列

SN—AB系列

三、有鉛焊接與無鉛焊接的工藝區別：

1、無鉛工藝“吃銅現像”會更歷害。由于鉛焊料：SN含量增大，所以加劇了焊料與鍍層（銅、鎳、鋅）等的反應（擴散現像）。溫度越高，反應越激烈。

2、無鉛焊接，更容易出現以下二種不良現像。

①裂縫：冷卻過快等原因造成的。

②啞光：冷卻過慢等原因造成的。

3、無鉛焊料表面張力比有鉛要大

4、無鉛工藝要求PCB板可焊性要比有鉛工藝要好，單面板與通孔板的共同問題是可焊性低，熔點高，潤濕性差，表面張力大，焊接時容易發生橋接、拉尖。

5、無鉛焊接更容易在產生錫珠現像。控制此現象采用一些措施：

①采用活性大的助焊劑

②PCB板要求綠油對錫珠反應不敏感

③提升預加熱溫度，加長預加熱時間

④設置適當爐溫

四、手焊無鉛工藝

用普通烙鐵焊接的話，由于烙鐵頭“吃銅現象”嚴重，易腐蝕，筆者強烈建議使用 無鉛電焊臺工作，或最起碼應使用長壽命無鉛烙鐵頭，由于溫度越高“吃銅現象”越嚴重，所使用電焊臺亦不可一味地提高溫度。更多詳細分析及資料請查閱：電烙鐵焊接技術

手工浸焊工藝

波峰焊操作工藝

回流焊操作工藝

SMT操作工藝

第三篇：無鉛化手工烙鐵焊的注意事項

無鉛化手工烙鐵焊的注意事項

1.電烙鐵的功率一般應在60W以上,70/75W是最為合適.一般而言.烙鐵頭的溫度要高于焊

料熔點150度,2.建議使用恒溫烙鐵,這樣既能保證足夠的焊接溫度,又不會因烙鐵頭過熱損傷.同時,烙鐵

頭過熱會導致嚴重的飛濺問題.3.無鉛焊料中錫含量相當高,一般在95%以上.而高錫含量的無鉛錫線對烙鐵頭的腐蝕相對

嚴重,建議使用質量優良的電烙鐵.4.用于無鉛焊接的電烙鐵必須具備很好的回溫性能,這一點對于IC引腳的拖焊非常重要.這是因為焊接過程中烙鐵頭的熱量會傳遞到印刷板的焊盤上而導致烙鐵頭的溫度降低.如果烙鐵的回溫性能不好,在拖焊后面的焊點時,烙鐵頭溫度已經下降嚴重,這將造成明顯的拉尖現象.5.不要使用太高的溫度進行焊接.高溫會使烙鐵頭的氧化加速.例如:烙鐵頭溫度超過470度

時,其氧化速度是380度時的兩倍.6.不要長期在高電壓下使用烙鐵.高電壓將導致烙鐵頭過熱,同時亦會縮短發熱芯的壽命.7.使用浸濕后又擠干的海綿清潔烙鐵頭.8.焊接過程中不要施加過大的壓力.焊接時應采用接觸式方法,不需要用力,只需跟電子元器

件的引腳和印刷電路板接觸即可.9.盡可能使用線徑較大的焊錫絲,因為較粗的錫線對烙鐵頭有較好的保護.一般而言,盡可能

選用線徑0.8以上的錫線.10.經常在烙鐵頭表面涂上一層焊錫,這樣可以減小烙鐵頭的氧化幾率.使用后,應待烙鐵頭溫

度稍為降低后才涂上新的焊錫層,使鍍錫層達到最佳的防氧化效果.11.不需使用時,應該小心地把烙鐵擺放在合適的支架上,以免烙鐵頭受到碰撞而損壞.12.及時清理表面氧化層.當烙鐵頭表面鍍錫層部分含有黑色氧化物或生銹時,必須及時清理.清理時最好把烙鐵頭溫度調整至250度左右,再用清潔海綿清潔烙鐵頭,然后在鍍錫層上加錫,不斷重復這一動作,直到將烙鐵頭上面的氧化物清潔干凈為止.13.選擇正確的烙鐵頭尺寸和形狀是非常重要的.烙鐵頭的大小與其熱容量有直接關系，烙鐵

頭越大，熱容量也越大，反之亦然。進行連續焊接時，使用越大的烙鐵頭，溫度跌幅就越小。此外，因為大烙鐵頭的熱容量高，焊接的時候可以使用較低的溫度，烙鐵頭的氧化程度就越低。短而粗的烙鐵頭比長而細的傳熱快，而且比較耐用。一般來說，烙鐵頭尺寸以不影響鄰近的元器件為標準。選擇能與焊點充分接觸的幾何尺寸能提高焊接效率。

第四篇：手工焊接技術

備戰2013國賽系列大講堂】----手工焊接技術

焊接技術我想偷個懶，東西是從網上找的，嘿嘿。我決定這個說的挺好的，其實焊接技術沒別的老辦法，多練就行！

一、手工焊接方法

手工焊接是傳統的焊接方法，雖然批量電子產品生產已較少采用手工焊接了，但對電子產品的維修、調試中不可避免地還會用到手工焊接。焊接質量的好壞也直接影響到維修效果。手工焊接是一項實踐性很強的技能,在了解一般方法后,要多練;多實踐,才能有較好的焊接質量。

手工焊接握電烙鐵的方法,有正握、反握及握筆式三種。焊接元器件及維修電路板時以握筆式較為方便。手工焊接一般分四步驟進行。

①準備焊接:清潔被焊元件處的積塵及油污,再將被焊元器件周圍的元器件左右掰一掰,讓電烙鐵頭可以觸到被焊元器件的焊錫處,以免烙鐵頭伸向焊接處時燙壞其他元器件。焊接新的元器件時,應對元器件的引線鍍錫。

②加熱焊接:將沾有少許焊錫和松香的電烙鐵頭接觸被焊元器件約幾秒鐘。若是要拆下印刷板上的元器件,則待烙鐵頭加熱后,用手或銀子輕輕拉動元器件,看是否可以取下。

③清理焊接面:若所焊部位焊錫過多,可將烙鐵頭上的焊錫甩掉(注意不要燙傷皮膚,也不要甩到印刷電路板上!),用光烙錫頭“沾”些焊錫出來。若焊點焊錫過少、不圓滑時,可以用電烙鐵頭“蘸”些焊錫對焊點進行補焊。

④檢查焊點:看焊點是否圓潤、光亮、牢固,是否有與周圍元器件連焊的現象。

二、焊接質量不高的原因手工焊接對焊點的要求是：

①電連接性能良好；

②有一定的機械強度；

③光滑圓潤。

造成焊接質量不高的常見原因是:

①焊錫用量過多,形成焊點的錫堆積；焊錫過少,不足以包裹焊點。

②冷焊。焊接時烙鐵溫度過低或加熱時間不足,焊錫未完全熔化、浸潤、焊錫表面不光亮(不光滑),有細小裂紋(如同豆腐渣一樣!)。

③夾松香焊接,焊錫與元器件或印刷板之間夾雜著一層松香,造成電連接不良。若夾雜加熱不足的松香,則焊點下有一層黃褐色松香膜；若加熱溫度太高,則焊點下有一層碳化松香的黑色膜。對于有加熱不足的松香膜的情況,可以用烙鐵進行補焊。對于已形成黑膜的,則要“吃”凈焊錫,清潔被焊元器件或印刷板表面,重新進行焊接才行。

④焊錫連橋。指焊錫量過多,造成元器件的焊點之間短路。這在對超小元器件及細小印刷電路板進行焊接時要尤為注意。

⑤焊劑過量,焊點明圍松香殘渣很多。當少量松香殘留時,可以用電烙鐵再輕輕加熱一下,讓松香揮發掉,也可以用蘸有無水酒精的棉球,擦去多余的松香或焊劑。

⑥焊點表面的焊錫形成尖銳的突尖。這多是由于加熱溫度不足或焊劑過少,以及烙鐵離開焊點時角度不當造成的內傷、易損元器件的焊接易損元器件是指在安裝焊接過程中,受熱或接觸電烙鐵時容易造成損壞的元器件,例如,有機鑄塑元器件、MOS集成電路等。易損元器件在焊接前要認真作好表面清潔、鍍錫等準備工作,焊接時切忌長時間反復燙焊,烙鐵頭及烙鐵溫度要選擇適當,確保一次焊接成功。此外,要少用焊劑,防止焊劑侵人元器件的電接觸點(例如繼電器的觸點)。焊接MOS集成電路最好使用儲能式電烙鐵,以防止由于電烙鐵的微弱漏電而損壞集成電路。由于集成電路引線間距很小,要選擇合適的烙鐵頭及溫度,防止引線間連錫。焊接集成電路最好先焊接地端、輸出端、電源端,再焊輸入端。對于那些對溫度特別敏感的元器件,可以用鑷子夾上蘸有元水乙醇(酒精)的棉球保護元器件根部,使熱量盡量少傳到元器件上。

三、易損元器件的焊接

易損元器件是指在安裝焊接過程中,受熱或接觸電烙鐵時容易造成損壞的元器件,例如,有機鑄塑元器件、MOS集成電路等。易損元器件在焊接前要認真作好表面清潔、鍍錫等準備工作,焊接時切忌長時間反復燙焊,烙鐵頭及烙鐵溫度要選擇適當,確保一次焊接成功。此外,要少用焊劑,防止焊劑侵人元器件的電接觸點(例如繼電器的觸點)。焊接MOS集成電路最好使用儲能式電烙鐵,以防止由于電烙鐵的微弱漏電而損壞集成電路。由于集成電路引線間距很小,要選擇合適的烙鐵頭及溫度,防止引線間連錫。焊接集成電路最好先焊接地端、輸出端、電源端,再焊輸入端。對于那些對溫度特別敏感的元器件,可以用鑷子夾上蘸有元水乙醇(酒精)的棉球保護元器件根部,使熱量盡量少傳到元器件上。

表面貼片元件的手工焊接技巧

現在越來越多的電路板采用表面貼裝元件，同傳統的封裝相比，它可以減少電路板的面積，易于大批量加工，布線密度高。貼片電阻和電容的引線電感大大減少，在高頻電路中具有很大的優越性。表面貼裝元件的不方便之處是不便于手工焊接。為此，本文以常見的ＰＱＦＰ封裝芯片為例，介紹表面貼裝元件的基本焊接方法。

一、所需的五金、工具和材料

焊接工具需要有２５Ｗ的銅頭小烙鐵，有條件的可使用溫度可調和帶ＥＳＤ保護的焊臺，注意烙鐵尖要細，頂部的寬度不能大于１ｍｍ。一把尖頭鑷子可以用來移動和固定芯片以及檢查電路。還要準備細焊絲和助焊劑、異丙基酒精等。使用助焊劑的目的主要是增加焊錫的流動性，這樣焊錫可以用烙鐵牽引，并依靠表面張力的作用光滑地包裹在引腳和焊盤上。在焊接后用酒精清除板上的焊劑。

二、焊接方法

1． 在焊接之前先在焊盤上涂上助焊劑，用烙鐵處理一遍，以免焊盤鍍錫不良或被氧化，造成不好焊，芯片則一般不需處理。

2． 用鑷子小心地將ＰＱＦＰ芯片放到ＰＣＢ板上，注意不要損壞引腳。使其與焊盤對齊，要保證芯片的放置方向正確。把烙鐵的溫度調到３００多攝氏度，將烙鐵頭尖沾上少量的焊錫，用工具向下按住已對準位置的芯片，在兩個對角位置的引腳上加少量的焊劑，仍然向下按住芯片，焊接兩個對角位置上的引腳，使芯片固定而不能移動。在焊完對角后重新檢查芯片的位置是否對準。如有必要可進行調整或拆除并重新在ＰＣＢ板上對準位置。

3． 開始焊接所有的引腳時，應在烙鐵尖上加上焊錫，將所有的引腳涂上焊劑使引腳保持濕潤。用烙鐵尖接觸芯片每個引腳的末端，直到看見焊錫流入引腳。在焊接時要保持烙鐵尖與被焊引腳并行，防止因焊錫過量發生搭接。

4． 焊完所有的引腳后，用焊劑浸濕所有引腳以便清洗焊錫。在需要的地方吸掉多余的焊錫，以消除任何短路和搭接。最后用鑷子檢查是否有虛焊，檢查完成后，從電路板上清除焊劑，將硬毛刷浸上酒精沿引腳方向仔細擦拭，直到焊劑消失為止。

5。貼片阻容元件則相對容易焊一些，可以先在一個焊點上點上錫，然后放上元件的一頭，用鑷子夾住元件，焊上一頭之后，再看看是否放正了；如果已放正，就再焊上另外一頭。要真正掌握焊接技巧需要大量的實踐。

第五篇：無鉛技術系列文章七：無鉛焊接的質量和可靠性

無鉛技術系列文章七：無鉛焊接的質量和可靠性

薛競成 撰寫

前言：

傳統的鉛使用在焊料中帶來很多的好處，良好的可靠性就是其中重要的一項。例如在常用來評估焊點可靠性的抗拉強度，抗橫切強度，以及疲勞壽命等特性，鉛的使用都有很好的表現。在我們準備拋棄鉛后，新的選擇是否能夠具備相同的可靠性，自然也是業界關心的主要課題。一般來說，目前大多數的報告和宣傳，都認為無鉛的多數替代品，都有和含鉛焊點具備同等或更好的可靠性。不過我們也同樣可以看到一些研究報告中，得到的是相反的結果。尤其是在不同PCB焊盤鍍層方面的研究更是如此。對與那些親自做試驗的用戶，我想他們自然相信自己看到的結果。但對與那些無能力資源投入試驗的大多數用戶，又該如何做出選擇呢？我們是選擇相信供應商，相信研究所，還是相信一些形象領先的企業？我們這回就來看看無鉛技術在質量方面的狀況。

什么是良好的可靠性？

當我們談論可靠性時，必須要有以下的元素才算完整。

1． 使用環境條件（溫度、濕度、室內、室外等）；

2． 使用方式（例如長時間通電，或頻繁開關通電，每天通電次數等等特性）； 3． 壽命期限（例如壽命期5年）；

4． 壽命期限內的故障率（例如5年的累積故障率為5%）。而決定產品壽命的，也有好幾方面的因素。包括： 1． DFR（可靠性設計，和DFM息息相關）； 2． 加工和返修能力；

3． 原料和產品的庫存、包裝等處理； 4． 正確的使用（環境和方式）。

了解以上各項，有助于我們更清楚的研究和分析焊點的可靠性。也有助于我們判斷其他人的研究結果是否適合于我們采用。

由于以上提到的許多項，例如壽命期限、DFR、加工和返修能力等等，他人和我的企業情況都不同，所以他人所謂的?可靠?或?不可靠?未必適用于我。而他人所做的可靠性試驗，其考慮條件和相應的試驗過程，也未必完全符合我。這是在參考其他研究報告時用戶所必須注意的。

您的無鉛焊接可靠性好嗎？

因此，在給自己的無鉛可靠性水平下定義前，您必須先對以下的問題有明確的答案。§ 您企業的質量責任有多大？ § 您有明確的質量定義嗎？

§ 您企業自己投入的可靠性研究，以及其過程結果的科學性、可信度有多高？ § 您是否選擇和管理好您的供應商？ § 您是否掌握和管理好DFM/DFR工作？ § 您是否掌握好您的無鉛工藝？

只有當您對以上各項都有足夠的掌握后，您才能夠評估自己的無鉛可靠性水平。更重要的，是您才能確保您的無鉛可靠性能夠提升和有所保證。

舉個例子說，很多試驗都報告說無鉛技術容易出現?氣孔?故障。從常見無鉛合金的特性上來看，無鉛是較容易出現?氣孔?。但合金特性不是唯一的因素。對?氣孔?問題來說，更重要的因素是焊劑配方（也就是錫膏種類）、爐子性能、工藝設置/調制能力、DFM和器件焊端材料等。如果用戶不掌握這些知識，則可能隨意的作了一些試驗后見到?氣孔?多，就說?氣孔?在無鉛中是個問題。而實際上，氣孔在無鉛中，是可能比那些不懂得處理技術整合的用戶，在有鉛技術中控制得更好的。

可靠性并非是三言兩語可以說清楚的。而是一門需要很多定義、規范、認證、數據支持等等工作的科學。

可靠性的依據和標準：

當我們評估無鉛焊點時，其可靠性的合格標準是什么？由于無鉛技術是用來取代有鉛技術的，一個很自然合理的評估標準，就是和傳統的錫鉛焊點進行比較。所以我們一般要求新的替代品，應該具有和錫鉛焊點?同等?的可靠性，或最少很接近。所以在一般的無鉛焊點可靠性分析中，我們都是和相同設計、工藝下的錫鉛焊點效果進行比較。而一般使用Sn37Pb為基準的較多。也有一部分使用SnPbAg為比較基準的。

經過了一段時間的發展，目前由于較多同業偏向看好SAC為無鉛焊料的主流，所以不少其他無鉛合金的研究上也使用SAC作為比較對象的。

無鉛技術的可靠性情況：

經過了約15年的開發研究，我們到底對無鉛技術的可靠性把握多少？可靠性不同與生產直通率，它需要一定的使用時間來給于人們較高的信心。這也就是說，必須有較長使用時間和足夠使用量的情況下才能有較可靠的結論。

在一項非正式的統計中，我們對業界認為無鉛是否可靠得出以下的結果： § 94%的報告說?可靠?

§ 100%的供應商說他們有?可靠?的材料和方案 § 87%的研究院報告說?還需要進一步研究?

而事實上，我們只有約4%的制造商有不超過5年的實際大量使用經驗。這對于一些使用壽命要求較長的電子產品絕對是不夠的。我們目前靠的主要是試驗分析結果。而由于這些試驗做法仍然存在著不少問題（請看下一節的解說），我們可以說，目前的可靠性狀況，還存在著：

§ 不夠完整 § 不夠精確

§ 不夠適用的風險

所以當用戶在處理這問題時，一個關鍵就是先前我提到的“您企業的質量責任有多大？”。這是決定你對無鉛可靠性的認同態度的主要因素。責任越大，您就應該越不放心，越覺得無鉛還是未必可靠。

到底目前業界是如何看法的呢？就一般業界較認同的看法來說，目前我們偏向于相信以下的狀況。

對于使用環境較?溫和?的產品，例如室內使用的家用電器、通訊設備、醫療設備等等（注一），我們都認為無鉛技術可以滿足要求。這類應用中，較多無鉛技術研究中發現無鉛焊點具有和含鉛技術相同或更好的可靠性。但在較?惡劣?環境下使用的產品，例如航空設備、汽車電子、軍用品等等（注二），業界則還不放心。研究結果也發現無鉛有時不如含鉛技術。圖一的研究報告就顯示了某些無鉛材料的這種特性，SAC可靠性和SnPb比較上，能力會因為所承受應力或應變程度而有所不同。

美國新澤西州一家研究所EPSI機構曾對無鉛和有鉛技術的研究程度進行了統計分析。其得出的結果是無鉛的研究資料只有有鉛的10%，而實際經驗只有有鉛技術的24%（注三）。這也向業界提供了一個信息：我們可能還做得不夠！

可靠性研究面對的問題：

上面我提到目前無鉛技術的可靠性仍然具有一定的風險。這風險來自什么地方，或是什么原因造成會有風險呢？以下是一些主要的原因。

1． 目前使用來判斷可靠性（壽命）的常用做法是通過熱循環的加速老化試驗方法，通過加溫減溫來給焊點制造應力而使其最終斷裂，并記錄其壽命（一般是熱循環次數），制圖和進行比較來評估。而事實上，在應用中我們的條件是和試驗中有所不同的。例如溫度變化的不規律性、較大的蠕變混合模式等等，這都不是試驗中有照顧到的。而目前我們還缺乏一套能夠從試驗室內的單純模擬，按實際使用情況推算出實際壽命的方法。所以試驗室內的結果，和實際應用中有可能出現較大的差別。而這種差別，在無鉛新材料上我們甚至沒有理論上的預計和判斷，對其變化關系幾乎是完全不懂；

2． 由于對某些理論還沒有掌握，在試驗中我們可能做出一些錯誤的模擬試驗設置，結果當然就得出一些錯誤的信息。比如在金屬須Whisker的認證試驗中，有些試驗采用了高溫高濕老化的方法，這做法雖然能夠通過加快原子遷移促使焊點的金屬須增長加快，但事實上也同時會對焊點或材料產生煅燒退火的效應，從而減少金屬須增長的幾率。但在實際使用中，金屬遷移會在室溫下出現，煅燒退火的效果卻不會在室溫下形成，所以我們得到的試驗結果可能偏好而造成錯誤的判斷；

3． 如果我們研究多數的試驗設計，在試驗中人們很容易忽略了SMT故障形成的復雜因果關系（或許是為了簡化試驗而有意忽略），而只用過于簡單的幾項變數控制來進行試驗和分析。例如有一個實際例子中，某試驗在對不同PCB焊盤保護材料進行比較時，采用了眾多OSP中的一種，而后認定OSP的能力不能接受，表現和他們建議的純錫差別很大。事實上OSP不只種類多，還和其他材料一樣受到供應商加工和質量控制能力的重大影響。但這些先決條件都沒有在試驗前進行分析控制，而作出了可能具備誤導性的結論。圖二可以讓我們更清楚看出這類問題。我們假設用戶選擇的試驗條件（材料配搭、工藝參數等）是圖中的#1的話，那他得出的結論是OSP和ENIG不良，ENEG不穩定，ImAg最好而應該被推薦。但他如果采用了試驗條件#2，他則認為所有不同的PCB處理都沒有什么不同的表現。這是截然不同的兩種結論！

而最重要的，是用戶的實際情況是什么？用戶的材料、設計、工藝、設備、加工廠能力等等的技術整合結果，是處于條件中的#1？#2？還是其他的點上？這在SMT技術中是個不容易的工作，需要對各種工藝、設計、材料、設備等等都有很好掌握的人員才能處理得合理。在工作中我見過有不少的試驗設計，是考慮不周的。這也說明了為什么很多報告，其結果不能吻合。

4． 熱循環疲勞失效試驗是研究可靠性中最主要的方法之一。為了縮短試驗時間，一般都采用高應力，高應變的試驗做法。但業界也發現，很多焊料的特性表現，在低應力、低應變的情況下顯得不穩定和出現不同的結論。而實際應用上，焊點所面對的是大范圍的應力和應變。但很少試驗是在低應力、低應變下進行的。而這方面的?高?與?低?標準，以及他們和產品設計、應用等上的關系等等知識資料也很缺乏；

5． 可靠性特性的針對性相當強。比如類似“使用在BGA的可靠性好”這樣的評語，事實上是不夠精確的。我們發現，BGA的大小，BGA的焊端（Bump）數量也都影響可靠性結果。例如一份報告中發現，9個焊端的CSP，其可靠性就比24個焊端的小了1.5倍！而我們并沒有資源對所有的不同組合（器件封裝、焊料、PCB、工藝參數、設計等）進行試驗分析。這就是說，我們不免有一部分（還不知道有多大的一部分？）情況完全沒有把握到； 6． 保護各自利益影響信息的真實性。我們不難發現，業界的供應商們所發表的資料，都是說?無鉛可行?。而一些研究院或用戶的報告，則總是在結尾上提到?還需要研究認證！?。這在一定程度上也是受到本身利益的影響而過濾了某些信息。當然，其壞處是誤導一些經驗不足，資源不足的用戶。

基于以上的原因。我認為我們在接觸無鉛信息資料的同時，必須對各個資料的背景、細節等進行相當程度的分析判斷。并要求收集眾多的信息進行比較。而最有用的，是擁有自己本身的認證開發能力。以往有鉛時代的?抄用?做法，在進入無鉛后會可能給您帶來問題。如此說來，是否所有的用戶都必須大量的投入可靠性研究？這也未必。我們還得來看看風險。

可靠性風險有多大：

知道了存在的重重問題，知道了我們聽說或見到的?可靠?無鉛技術未必真的可靠后，那我們是否會問：“使用無鉛的風險有多大？”

我沒有見到業界有對這問題進行分析預計的?；蛟S這時候沒有人愿意這么做。商家肯定不愿意，研究院也因為在確保質量上有很大的困難而不愿意。不過按我的經驗和看法來判斷的話，我覺得風險還是偏小的，風險的隨機性也十分強。而且我個人覺得這風險問題無法得到很好的解決，至少在三五年內不會。我所以這么說，基于以下的幾個觀點。

1． 許多試驗，雖然把握的不好，但結果很少出現足以提出報警的大問題。例如以下圖三中的比較。左右兩份研究的結論剛好是相反，這說明在整個過程中我們并沒有對所有關鍵因素把握和控制到位。但即使結果不一樣，測試出來的數據卻顯示他們都很好的滿足實際回流焊接中的需要。

2． 單一材料的特性分析，目前的業界能力是足夠的。所以那些無法事先得到較足夠認證的，是個配搭問題。這配搭包括材料間、材料和工藝間的配搭。也就是說，并非每個用戶都有同樣遇到問題的幾率。而是有較高的隨機性的。這問題其實在有鉛時代已經是常見的。我們不是常遇到某些批量出問題，或常聽到供應商說：“我的其他客戶沒有這種問題！”的嗎？就拿上圖三的例子來說（假設兩個試驗是可靠的，而差異是材料供應商的差別），那使用左圖中的材料在回流焊接中的客戶，未必能發現其能力差。但如果是使用在波峰焊接中，則就可能是個問題了！這里的風險是需要左圖的供應商，加上波峰焊接工藝才會出現的。所以不是每個用戶都會遭遇到。

3． 無鉛對與那些高質量要求的行業來說，由于豁免條例等等，目前的壓力還不太大。例如航天、軍用產品行業中，無鉛環保并不是個必須品。也就是說無鉛是否可靠并不是他們急于解決的問題。雖然這些行業可能受到供應市場的轉變而受到一些影響，但這些行業對成本本身不敏感，而SMT中的有鉛或無鉛更是其成本中微不足道的一小部分。所以估計這方面的用戶，雖然關注無鉛的發展，但短期內也不會做出很嚴厲的要求。

4． 一些影響可能較大的，也就是對質量要求高，而成本上也有一些壓力的，比如電信和汽車電子等。所遇到的情況是一方面可以利用豁免條例來延緩這方面的沖擊；另一方面，即使法規上要求必須采用無鉛，其競爭情況是一致的。加上目前大多數行業并沒有一套很好的市場可靠性監控方法，而可靠性必須長時間來認證等等，所以當法規壓力大于用戶壓力時（不只是用戶沒有對可靠性做出嚴格可行的要求。有些用戶還可能對于風險毫不知情，對遵從法規的要求遠遠超過對可靠性方面的要求），這方面的無鉛化還是會在?可靠性被懷疑?的情況下推進的。而在工作量和難度的壓力下，不可能有太多的企業主動的去處理這方面的研究問題。

無鉛的焊接問題：

無鉛焊接的質量問題，有許多模式是和錫鉛技術中一樣的。因為篇幅問題，我在本文中就不多加解釋。我們只看看無鉛技術中較特有的問題。這些問題，一般都是因為三個因素所造成：1。高溫焊接環境；2。錫Sn的特性；以及3。替代鉛的其他金屬或合金特性。

我們先來看看高溫帶來的問題。首先受到影響的，是器件封裝的耐熱問題。在無鉛技術的推薦焊接溫度上（245 – 255℃），溫度比起以往SnPb的最高約235℃高出了20度。這對以往器件只保證承受240℃來說，肯定是存在損壞風險的。而像BGA一類器件的使用，其本身封裝在焊接中的溫度就高過焊點溫度。加上其?較冷?熱特性的焊點，當滿足BGA的焊接條件時，容易使到同一PCBA上的其他小熱容量器件的溫度高出許多，這又進一步加強了熱損壞的風險。所以業界一些機構如IPC等建議所有定為無鉛合格的器件，必須要能承受的起數次通過峰值溫度高達260℃的最低要求（注四）。不過這里要提醒的，是這是器件供應商用來測試的標準。和實際應用中有一定的不同。由于實際PCBA上存在熱容量及對流條件的不同，我們是可能很難同時滿足焊點的焊接溫度需求以及封裝的耐熱需求的。就如以上提到的BGA例子，當BGA底部的中間焊點達到255℃時，BGA的封裝是很可能超過260℃的。對于較厚的BGA封裝，標準中還允許其保證在較低的溫度（如245，250℃，注四）。這在實際應用中可能出現問題。

高溫度帶來的問題，還有以下各種故障：

§ PCB變形和變色 § PCB分層 § PCB通孔斷裂

§ 器件吸潮破壞（例如爆米花效應）§ 焊劑殘留物清除困難

§ 氧化程度提高以及連帶的故障（如氣孔、收錫等）§ 立碑

§ 焊點共面性問題（虛焊或開焊）§ 焊點殘留的內應力 以上的各種故障，其處理方法和有鉛技術并沒有太大的不同。主要是程度上要做得更到位，并對技術整合管理的要求更高。

除了高溫問題，無鉛還帶來了以下已經為業界發現的特有問題。

焊點的剝離（Lifted Pad）：

這類故障現象多出現在通孔波峰焊接工藝中，但也在回流工藝中出現過?，F象是焊點和焊盤之間出現斷層而剝離（圖四）。這現象的主要原因是無鉛合金的溫度膨脹系數和基板之間出現很大差別，導致在焊點固化的時候在剝離部份有太大的應力而使他們分開。一些焊料合金的非共晶性也是造成這種現象的原因之一。所以處理這問題主要有兩個主要做法，一是選擇適當的焊料合金，另一是控制冷卻的速度，使焊點盡快固化形成較強的結合力。除了這方法外，我們還可以通過設計來減少應力的幅度，也就是將通孔的銅環面積減小。日本有一個流行的做法，是使用SMD焊盤設計。也就是通過綠油阻焊層來限制銅環的面積。但這種做法有兩個不理想的地方。一是較輕微的剝離不容易看出；二是SMD焊盤在綠油和焊盤界面的焊點形成，從壽命的角度上來看是屬于不理想的（注五）。

有些剝離現象出現在焊點上（圖五），稱為裂痕或撕裂（Tearing）。這問題如果在波峰通孔焊點上出現，在業界有些供應商認為是可以接受的。主要因為通孔的質量關鍵部位不在這地方。但如果出現在回流焊點上，應該算是質量隱憂問題，除非程度十分?。愃破鸢櫦y）。

鉛污染問題：

由于鉛的加入對錫的特性影響很大，當我們把鉛除去后，在焊接過程中如果有鉛的出現，將會對焊點的特性和質量造成影響。很不幸的是不良的影響。這現象我們稱之為?鉛污染?。而由于從有鉛到無鉛的切換并非瞬時間的，所以在過渡期間我們很可能會同時存在有鉛和無鉛的材料（尤其是器件焊端材料）。所以我們必須了解和掌握鉛對無鉛焊點的影響。鉛的出現或鉛污染可能對焊點造成以下的兩種影響： 1． 熔點溫度的降低（程度看鉛的含量而定）； 2． 焊點壽命的損失（這方面十分敏感）；

至于在焊接性和工藝性上則影響不多。因為一般鉛的成分不會很多，不足以在工藝上造成影響。

鉛對熔點溫度的影響相當敏感，例如對常用的Sn3.5Ag焊料來說，1%的鉛的出現就能使其熔點從221℃下降到179℃；而在目前建議給波峰焊接使用的Sn0.7Cu來說，1%的鉛也使其熔點從227℃下降到183℃。

目前發現對鉛污染最敏感的是含有Bi的合金。當Pb和Bi在一起出現時，會產生熔點只有96℃的IMC，大大降低焊點的壽命。業界曾作過一些試驗，發現含0.5%的鉛（注六）會使Sn3.5Ag3Bi焊點的機械強度下降原來的60%；而其疲勞壽命也下降了32%左右（注七）。鉛對不含Bi的焊點也有很大的破壞。例如在Sn1.5Ag3.1Cu合金中，0.5%的鉛會使壽命減少到沒有污染的43%左右。不過關鍵是，其他不含Bi的合金壽命一般比SnPb高出一定的程度。所以即使在受到鉛污染的破壞后，其壽命仍然合格，即相當或過于SnPb焊點。比如Sn1.5Ag3.1Cu焊點在0.5%鉛污染的情況下，其疲勞壽命仍然有SnPb焊點的2倍。所以一般認為，只要不含Bi，鉛污染的問題不會太嚴重。但這里我做個提醒，未必所有可用的無鉛合金都已經過認證。所以用戶必須確保本身采用的焊料合金對鉛污染的敏感性。和您的供應商探討這問題是重要的。

‘克氏空孔’（Kirkendall Voids，注八）：

這是一種固態金屬界面間金屬原子移動造成的空孔現象。由美國克肯多先生于1939年發現并以其姓氏命名。在無鉛技術中，由于一般焊料的Sn含量比傳統的Sn37Pb高很多，而Sn和其他金屬如Au，Ag和Cu等很容易出現這種克氏空孔現象（圖六）。所以在無鉛中算是一種較新的故障模式。

圖六顯示在銅焊盤和錫焊點之間存在Cu6Sn5的IMC層。而在Cu和Cu6Sn5的界面，由于Cu進入Sn的速度快，會造成一些無法填補的空孔（圖中黑色部份）。這就是克氏空孔了。

克氏空孔的形成速度和溫度有很大的關系，溫度越高增長越快。這是因為高溫增加了原子活動能量的關系。所以要預防克氏空孔的危害，必須在材料和溫度上著手。一般Au，Ag和Cu是最容易和Sn間出現克氏空孔的。用戶必須在這方面給于小心處理。例如用于高溫的焊點（注九），其界面材料選擇就應該避開使用Au，Ag或Cu直接和高Sn含量的焊點接觸。比如使用Ni層隔離等方法。而在工藝中，例如使用Ni/Au鍍層的，就必須確保其鍍層厚度和工藝參數（焊接溫度和時間）配合，使Au能夠完全的溶蝕并和Ni間形成IMC。這問題容易出現在較冷的BGA底部。

OSP鍍層由于在焊點形成后Cu和高Sn含量的焊點直接接觸，所以對與高溫應用并不是很理想。

金屬須（Whisker）問題：

在含鉛技術中，金屬須（圖六）的問題并不被大多數人重視。因為大約>3%的鉛能夠很好的阻止金屬須的生長。但其實金屬須問題在含鉛技術中已經存在。在航天和軍用設備上已經有遭受其危害的事例。如今當我們在無鉛技術中將鉛去除后，絕大多數的合金都屬于高Sn含量，甚至有100%Sn在器件和PCB焊盤鍍層上的應用被看好的。Sn是一種較容易出現金屬須的金屬。所以金屬須問題在無鉛技術中就成了個較熱門的話題和研究對象了。

金屬須并不需要環境條件來助長。目前業界對其原理還沒有下定論，但一般較相信是因為內層Sn的應力所引起的。金屬須沒有固定的形狀（圖七），針形的一般可長到數十微米或更長（曾發現近10mm的）。也沒有明確的生長時間，有數天到數年的巨大變化范圍。

業界目前在金屬須課題上面對的問題，是還沒有人真正了解其機理和控制方法。雖然經過多年的研究，人們已經整理出好些有用的經驗，但卻還不能確定該如何預防或控制金屬須。比如亞光錫（Matte Sn）的使用，雖然是目前被推薦的主要方法之一，但業界也曾發現過在亞光錫上出現的金屬須。這說明這技術還不是絕對可靠的。由于了解的不到位，目前業界也沒有一套被認可試驗的方法。這也增加了對其研究的困難。

通過各方的研究以及業界的經驗，整理出較被認可的論點可以總結如下： 在影響金屬須生長的因素方面有：

§ 金屬種類和合金成分 § 金屬鍍層的厚度 § 鍍層表層的微晶結構

§ 鍍層的電鍍工藝（電鍍液配方和電鍍參數）§ 庫存溫度（發現在10℃以下增長較快）§ Sn中的碳和有機物含量 § 機械應力（內部和外加）

在處理或預防方法上，有用的經驗有： § 使用亞光錫，目前還推出據說更好的鍛光錫工藝 § 使用較厚的Sn鍍層

§ 對已經電鍍好的Sn面進行浸錫加工

§ 在Sn中加入其他金屬（例如Bi，Sb，Cu等）

§ 在Sn的鍍層和基材間加上另外一層不同金屬（比如鎳），改變其IMC界面的金屬遷移特性

§ 電鍍后煅燒退火 § 三防噴涂

§ 減少PCBA安裝時的機械力（例如螺絲孔造成的扭曲力等）

以上方法在一定程度上有效，但還不足于給人們完全放心。目前在這課題上的狀況是“風險不算大，但隨機性強，還需要不斷摸索研究！”

錫瘟問題：

錫瘟是錫在低溫下改變其微晶結構相位所造成的一種現象。錫瘟在形成時的體積增長約26%，性質很脆，稱粉狀，所以對焊點會造成可靠性問題。形成時出現像疙瘩狀的表面（圖八）。錫瘟有一定的延遲生長時間，可能達數年之久。但一旦開始形成就會快速的蔓延。錫瘟一般在低于13.2℃以下開始形成，約在-30幾度時形成速度最快。

錫瘟現象曾被發現在SnCu，SnZn，和SnAg合金中，表示無鉛材料可能具有這方面的風險。Sn中的Al和Zn雜質也會助長錫瘟。在有鉛技術中，錫瘟不是個關注的問題，因為Pb可以阻止錫瘟的形成。我們也發現兩種較Pb還能阻止錫瘟的金屬，就是Bi和Sb。少量的（0.2-0.5%）的Bi或Sb能夠預防錫瘟。所以這是個推薦的方法。

雖然我們對錫瘟的現象和原理已經有較好的了解。但在SMT無鉛技術中，錫瘟并不是一個重點研究的對象。這可能是由于錫瘟不像金屬須問題，它在電子業中并沒有具體的破壞事例。在70年代，當時器件的鍍層是以純Sn為主，也就是最敏感的。但也沒有報告說受到錫瘟問題的破壞。所以，錫瘟的目前狀況，也是屬于一個有擔心但非急于解決的問題。

后語：

從電子業開始談無鉛技術到現在，已經有超過15個年頭了。但對無鉛的可靠性研究和把握的角度來評估的話，我們還只是開始入門。研究、觀察經驗雖然有一定的量，不過因為技術的復雜和變數眾多，使我們還不敢斷然說無鉛已經是具備高可靠性的技術了。

雖然如此，這些不確定性并不會真正影響我們的推進以及可能在明年中的較全面采用無鉛技術。因為我們在小量研究和應用中，也沒有看到較大的風險。無鉛的目前問題較多出現在表面上，也就是加工工藝上。按一貫的做法，我們業界也許不會很深的去注意產品的壽命問題。在確保產品壽命的工作上，我們普遍的問題不只是在監督系統上缺乏，知識和能力也缺乏。另一方面，占電子業最大一部份的許多消費電子類產品，都是走向功能快速更新和低價格的趨勢，這也驅使業界無需，也無能力太關心產品的壽命。所受到影響的，是為數較少的一些行業。而這些行業目前也因為豁免等條件使他們沒有受到太大的壓力。

我們在質量研究的工作上，不論是方法上、數量上、或是協調上，似乎跟不上無鉛技術的發展要求。但除非有越來越多的企業，真正以質量來作為競爭手段（光喊口號不算！），不然在可靠性的研究工作，雖然還會持續下去，但估計不會有革新的局勢出現。將來的發展，我想還是個商務和技術之間的平衡問題。而我們從以往人類的發展經驗中，大略也可以想象局勢會朝那邊走。反正無鉛的推行在電子業中已經鬧了大笑話，人們為了其他目的，也不想承認和改變它的發展。只要大家還有的爭飯吃，我想其他的也不會太去關心了。

這系列有關無鉛技術的文章，我摘要的和讀者們分享了無鉛的發展、無鉛材料（包括焊料、器件、PCB）、無鉛工藝以及本期的可靠性方面的經驗。系列文章也接近尾聲了。我將展延一期，和你們分享許多人比對可靠性更關心的課題。就是生產工藝在無鉛技術中優化方面的知識。

技術兼管理顧問 薛競成

2005年10月

---------注一：這類產品也稱為0℃ / 100℃ 產品。指的是其應用溫度和研究范圍。注二：這類產品也稱為-55℃ / 125℃ 產品。

注三：本研究是統計各個大也就機構和企業中，無鉛和有鉛的技術資料數量以及統計實際工作時間比例。

注四：IPC/JEDEC標準J-STD-020C中有清楚的限制建議。

注五：SMD焊盤由于其不可潤濕的綠油覆蓋在焊盤上，這部份不容易形成很好焊接面，而在使用中會由于曲翹等造成的應力而開始產生斷裂。不過使用在通孔波峰焊接中，由于焊點的結構上，這部份的應力不大，也非關鍵部份，所以一般認為可以接受。注六：0.5%的鉛含量，是一般焊點在實際應用中可能從器件焊端鍍層中得到的污染量?？赡芪廴镜某潭龋叻治黾s是0.2%-0.5%。

注七：SnAgBi焊點的壽命和SnPb相當，但一旦出現鉛污染，其壽命就會大大低于SnPb焊點。

注八：齊氏空孔是美國Ernest Kirkendall先生于1939年發現的一種物理現象。所以以其命名為Kirkendall空孔。

注九：高溫應用的焊點，指那些通過高電流容易發熱的點?；蚴瞧骷旧硎歉吖β什僮?，而通過焊點散熱的設計。