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无铅焊接工艺中常见缺陷及防止措施
来源:
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作者:pmo5edd31
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发布时间: 2019-09-12
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1.引言
无铅化制程导入过程中，钎料、PCB焊盘及元件镀层的无铅化工艺配合新焊剂使用逐步得到广泛应用，随之产生的各种焊接缺陷，比如剥离现象和元素污染等困扰着实际生产的顺利进行。本文主要针对以上提到的几种缺陷进行原因分析并给出相应解决措施。
2.剥离
剥离一般包括焊盘/PCB剥离，焊点/焊盘剥离。焊点剥离一般起源于接近焊盘拐角附近的环形区域。焊后冷却过程中拐角区由于应力集中较大首先开裂，如应力未完全释放，将导致焊盘外缘界面上应力增加，当应变累积并超过材料塑性变形能力后，开裂会沿钎料/焊盘界面扩展直至完全剥离
剥离一般发生在结晶后期，在钎料偏析产生的低熔点相液相线以上稍高温度期间，属于热裂纹之列，发生机制同结晶裂纹发生机制相似。偏析使得凝固延迟的焊盘拐角区钎料液相线显著降低，使低塑性的固-液态区间增大，局部液相存在时间更长。此外，如果钎料中含Bi或P b污染时剥离的概率更大，因为此时低熔相熔点很低，如图2所示的SnAgBi三元合金熔点低于140℃。
2.1产生原因
表1为发生剥离焊点的界面形貌特征。导致焊点剥离的主要原因有三方面：微观成分偏析、非同步凝固和冷却收缩过程中产生的应力。
钎料中Bi的存在是形成焊点剥离现象的主要原因，SnBi二元合金中存在一熔点只有138℃的共晶相，如果无铅钎料中含有Bi元素，在焊点凝固过程中，钎料主体在220℃左右的温度区间内已凝固，但凝固过程中偏析出来的SnBi共晶却要等到138℃左右才开始凝固，由此造成了钎料的非同步凝固现象。值得注意的是并不是含Bi元素就一定会偏析，一般含量控制在1wt%以下，最大不超过3wt%，否则会出现偏析现象。此外，电子组装件在焊接过程中要吸收热量，冷却过程中印刷电路板上的热量会通过镀层向热导率非常好的Cu焊盘传递，从而造成了与焊盘接触部分的钎料不能与其他部分钎料同步凝固，这是由局部温度不平衡造成的非同步凝固。当焊盘界面处残存滞后凝固的液相时，材料的热胀冷缩就会导致了焊点剥离的产生。首先，已冷却钎料的凝固收缩会对焊盘界面处残存液相产生一个拉应力的约束；其次，PCB板Z方向热胀冷缩系数一般很大，冷却过程中的收缩将促使焊盘与焊点脱离，如图3所示。赵智力等人对几种不同无铅钎料剥离现象进行研究也很好的证明了这一点。试验发现SAC305和Sn2.0Ag0.5Cu7.5Bi焊点都有剥离现象发生，前者发生率极少，而后者发生概率极高并存在规律性；Sn0.7Cu和Sn2.0Ag0.5Cu1.0Bi钎料焊点未发现剥离现象。
需要指出的是，如果无铅钎料中含有In，同样会导致焊点剥离现象的发生，原因与含Bi钎料合金的情况一致，SnIn之间可以形成熔点只有120℃的共晶相。如果波峰焊或是回流焊工艺中使用不含Bi的无铅钎料，但是相关的元件外线表面镀层及印刷电路板表面保护层使用SnPb钎料，这种情况下焊点剥离现象仍有可能发生，其基本原理与上述一致，SnPb之间能够形成熔点为183℃的共晶相，同样会产生非同步凝固现象。如果此时钎料中含有Bi，情况会变得更为严重，因为SnPbBi之间可以形成一熔点只有96℃的共晶相。
2.2防止措施
（1）增加Bi含量细化组织，但控制钎料中的Bi含量至1％以下；
（2）选用共晶及近共晶无铅焊料，比如采用SAC357三元合金；
（2）无铅工艺中做到完全无铅化，即元件外线表面镀层及PCB表面保护层均做到无铅化，尽量不使用含Bi或In的钎料，并防止Pb污染；
（3）控制合适的钎焊温度和浸锡时间。钎焊温度过低、浸锡时间过短会导致润湿不良，钎焊温度过高、浸锡时间过长会使热应变增大，促使剥离发生；
（4）保持PCB焊盘和元件引线清洁，增加焊剂活性，防止焊点润湿不良；
（5）开发PCB材料与制作工艺，减少Z方向的热膨胀系数；
（6）考虑PCB热设计，使基板内部热量尽量释放；（7）在回流＋波峰复合工艺中，尽量采用SMD焊盘结构，并且让焊剂覆盖焊盘周边；
（8）控制适当冷却速度。冷却速度影响晶粒的形态和大小，快速冷却可避免形成过大的方向性明显的枝晶，减小焊点剥离趋势，但程度不是很明显，只有在冷却速度大于20℃/s时，对剥离现象的抑制作用才较明显。但过大的冷却速率随能够抑制偏析，却不能完全抑制剥离，而且还会导致表面裂纹增加（当冷却速率达到10℃/s以上时）。
3.元素污染
无铅钎料中各污染元素含量上限要求。实际生产过程中，对钎料槽中Cu、Pb、Fe、Bi等杂质要进行严格控制。
3.1铅的污染
RoHS指令要求Pb的含量低于0.1%，Pb的存在一般会造成晶粒边界劣化导致龟裂或造成低温相劣化导致剥离。由于焊点组成材料存在较大热膨胀差，当含量大于0.5%时经过热疲劳容易出现龟裂或剥离，大大降低可靠性，如表3所示。含量大于1%（2～5%）时剥离现象最严重，如图4所示。
无铅钎料中Pb含量一般在0.02～0.05%之间，钎料与Cu界面作用时，由于少量Pb的阻碍，老化过程中强度降低缓慢。但有Bi共存时，会形成低熔点相或偏析而大幅度降低剪切强度。图5为SnBi钎料受到Pb污染热循环后焊点表面及差的可靠性。
3.2 Bi的污染
当Bi的含量在5～40％范围间时，冷却过程中容易发生偏析中，并伴有树枝状晶生成，出现的偏析量在数个微米范围。Pb在焊点最后冷却的地方析出，致使焊接强度降低，且随着Pb含量增加，热循环寿命大大降低影响焊点可靠性。如果固相中扩散和液相中扩散能够忽略，则可以由Scheil’s公式计算共晶组成，Sn2Bi在最终凝固领域共晶组成约0.5%，Sn5Bi约2%。为了得到理想界面，常进行快速冷却降低偏析，使Bi均匀分布，起到微细强化相组织作用。有时也加入Zn，使产生的CuZn化合物层与偏析Bi相互抑制，控制IMC的厚度。
3.3 铜的污染
钎料中的Cu主要来源于电路板镀层和元件镀层，SAC合金更趋向于溶解铜，速度是SnCu合金的1.5倍，SnPb合金的2倍，SnCuNi合金的3.5倍。使用SnCu钎料要密切注意Cu的含量，由SnCu合金相图可以看出：当Cu成分改变0.2％时熔点增加6℃；成分改变0.25％时产生Cu6Sn5结晶体；成分改变0.3％时明显出现桥连缺陷，需要清理；成分改变1％时熔点上升25℃，就要更换钎料。Cu6Sn5化合物不能使用传统“比重排铜法”（188℃/8h）来清除，故Cu元素超标可通过稀释和更换两种方式来解决。稀释时，对于SnCu合金可加一号锡（纯度99.95%），对于SAC合金可加SnAg合金，添加量可用
其中：G1为锡槽中剩余受污染钎料质量；G2为一号锡添加量；R为原始钎料中锡含量（SAC305为96.5）；M为污染钎料中锡含量。
实践表明，由于稀释时需要取出近一半的锡量，故一般不推荐使用。
3.4 铁的污染
铁对无铅钎料的危害同样不容忽视。由于高温锡对铁材料的高侵蚀性，使用不锈钢及铸铁的锡炉材料很容易与无铅钎料反应生成针状FeSn金属间化合物FeSn2，如图6所示。FeSn2的熔点为510°C ，密度也较SnAgCu为大，一旦在锡炉中生成，它将在锡炉底部一直生长，当达到一定量后就会进入钎料，在焊接过程中随钎料沾覆到PCB板上。由于现代表面封装中焊点间距越来越小，针状的FeSn2化合物可能在两通孔焊点之间产生桥连现现象，造成很大危害。
其中：dh是dt时间内经过截面积A而扩散的溶解物质量，起扩散方向由高浓度指向低浓度，它和扩散方向的浓度梯度及截面A成正比。
D是溶解物质的扩散系数，是浓度梯度为1时在单位时间内经过1cm2截面积而扩散的物质克数（或克分子数）。
由于存在扩散现象，故钎料与炉胆材料间生成化合物不可避免。表4为FeSn合金与温度、时间之间的关系，可以看出随着温度的升高和时间的延长，化合物厚度大大增加。
此外，Denis Barbini还发现SAC系列无铅钎料会与铁反应生成FeSn2，区别只在于反应开始的时间延迟与速度不同。侵蚀速度一般为SnAg最高，SAC次之，SnCu最低。无铅钎料一旦被铁污染，可以说很难或者根本不可能被消除，到一定程度时只能更换所有的钎料。
由于存在扩散现象，故钎料与炉胆材料间生成化合物不可避免。表4为FeSn合金与温度、时间之间的关系，可以看出随着温度的升高和时间的延长，化合物厚度大大增加。
此外，Denis Barbini还发现SAC系列无铅钎料会与铁反应生成FeSn2，区别只在于反应开始的时间延迟与速度不同。侵蚀速度一般为SnAg最高，SAC次之，SnCu最低。无铅钎料一旦被铁污染，可以说很难或者根本不可能被消除，到一定程度时只能更换所有的钎料。
4.结论
无铅焊接工艺的应用致使组装材料、设备和工艺等发生了许多变化，相应的也出现了许多新的产品质量问题。只要通过科学合理的方法去解决，充分认识无铅钎料特性，更新专业加工概念，发现问题，认识问题，进行探究与分析，找出解决之道，防止问题与未然，实现高成品率，减少和消除各种焊接缺陷问题，才是降低成本的最大根基。本文摘自《1985-2015中国SMT30年学术论文集》
无铅化制程导入过程中，钎料、PCB焊盘及元件镀层的无铅化工艺配合新焊剂使用逐步得到广泛应用，随之产生的各种焊接缺陷，比如剥离现象和元素污染等困扰着实际生产的顺利进行。本文主要针对以上提到的几种缺陷进行原因分析并给出相应解决措施。
2.剥离
剥离一般包括焊盘/PCB剥离，焊点/焊盘剥离。焊点剥离一般起源于接近焊盘拐角附近的环形区域。焊后冷却过程中拐角区由于应力集中较大首先开裂，如应力未完全释放，将导致焊盘外缘界面上应力增加，当应变累积并超过材料塑性变形能力后，开裂会沿钎料/焊盘界面扩展直至完全剥离
剥离一般发生在结晶后期，在钎料偏析产生的低熔点相液相线以上稍高温度期间，属于热裂纹之列，发生机制同结晶裂纹发生机制相似。偏析使得凝固延迟的焊盘拐角区钎料液相线显著降低，使低塑性的固-液态区间增大，局部液相存在时间更长。此外，如果钎料中含Bi或P b污染时剥离的概率更大，因为此时低熔相熔点很低，如图2所示的SnAgBi三元合金熔点低于140℃。
2.1产生原因
表1为发生剥离焊点的界面形貌特征。导致焊点剥离的主要原因有三方面：微观成分偏析、非同步凝固和冷却收缩过程中产生的应力。
钎料中Bi的存在是形成焊点剥离现象的主要原因，SnBi二元合金中存在一熔点只有138℃的共晶相，如果无铅钎料中含有Bi元素，在焊点凝固过程中，钎料主体在220℃左右的温度区间内已凝固，但凝固过程中偏析出来的SnBi共晶却要等到138℃左右才开始凝固，由此造成了钎料的非同步凝固现象。值得注意的是并不是含Bi元素就一定会偏析，一般含量控制在1wt%以下，最大不超过3wt%，否则会出现偏析现象。此外，电子组装件在焊接过程中要吸收热量，冷却过程中印刷电路板上的热量会通过镀层向热导率非常好的Cu焊盘传递，从而造成了与焊盘接触部分的钎料不能与其他部分钎料同步凝固，这是由局部温度不平衡造成的非同步凝固。当焊盘界面处残存滞后凝固的液相时，材料的热胀冷缩就会导致了焊点剥离的产生。首先，已冷却钎料的凝固收缩会对焊盘界面处残存液相产生一个拉应力的约束；其次，PCB板Z方向热胀冷缩系数一般很大，冷却过程中的收缩将促使焊盘与焊点脱离，如图3所示。赵智力等人对几种不同无铅钎料剥离现象进行研究也很好的证明了这一点。试验发现SAC305和Sn2.0Ag0.5Cu7.5Bi焊点都有剥离现象发生，前者发生率极少，而后者发生概率极高并存在规律性；Sn0.7Cu和Sn2.0Ag0.5Cu1.0Bi钎料焊点未发现剥离现象。
需要指出的是，如果无铅钎料中含有In，同样会导致焊点剥离现象的发生，原因与含Bi钎料合金的情况一致，SnIn之间可以形成熔点只有120℃的共晶相。如果波峰焊或是回流焊工艺中使用不含Bi的无铅钎料，但是相关的元件外线表面镀层及印刷电路板表面保护层使用SnPb钎料，这种情况下焊点剥离现象仍有可能发生，其基本原理与上述一致，SnPb之间能够形成熔点为183℃的共晶相，同样会产生非同步凝固现象。如果此时钎料中含有Bi，情况会变得更为严重，因为SnPbBi之间可以形成一熔点只有96℃的共晶相。
2.2防止措施
（1）增加Bi含量细化组织，但控制钎料中的Bi含量至1％以下；
（2）选用共晶及近共晶无铅焊料，比如采用SAC357三元合金；
（2）无铅工艺中做到完全无铅化，即元件外线表面镀层及PCB表面保护层均做到无铅化，尽量不使用含Bi或In的钎料，并防止Pb污染；
（3）控制合适的钎焊温度和浸锡时间。钎焊温度过低、浸锡时间过短会导致润湿不良，钎焊温度过高、浸锡时间过长会使热应变增大，促使剥离发生；
（4）保持PCB焊盘和元件引线清洁，增加焊剂活性，防止焊点润湿不良；
（5）开发PCB材料与制作工艺，减少Z方向的热膨胀系数；
（6）考虑PCB热设计，使基板内部热量尽量释放；（7）在回流＋波峰复合工艺中，尽量采用SMD焊盘结构，并且让焊剂覆盖焊盘周边；
（8）控制适当冷却速度。冷却速度影响晶粒的形态和大小，快速冷却可避免形成过大的方向性明显的枝晶，减小焊点剥离趋势，但程度不是很明显，只有在冷却速度大于20℃/s时，对剥离现象的抑制作用才较明显。但过大的冷却速率随能够抑制偏析，却不能完全抑制剥离，而且还会导致表面裂纹增加（当冷却速率达到10℃/s以上时）。
3.元素污染
无铅钎料中各污染元素含量上限要求。实际生产过程中，对钎料槽中Cu、Pb、Fe、Bi等杂质要进行严格控制。
3.1铅的污染
RoHS指令要求Pb的含量低于0.1%，Pb的存在一般会造成晶粒边界劣化导致龟裂或造成低温相劣化导致剥离。由于焊点组成材料存在较大热膨胀差，当含量大于0.5%时经过热疲劳容易出现龟裂或剥离，大大降低可靠性，如表3所示。含量大于1%（2～5%）时剥离现象最严重，如图4所示。
无铅钎料中Pb含量一般在0.02～0.05%之间，钎料与Cu界面作用时，由于少量Pb的阻碍，老化过程中强度降低缓慢。但有Bi共存时，会形成低熔点相或偏析而大幅度降低剪切强度。图5为SnBi钎料受到Pb污染热循环后焊点表面及差的可靠性。
3.2 Bi的污染
当Bi的含量在5～40％范围间时，冷却过程中容易发生偏析中，并伴有树枝状晶生成，出现的偏析量在数个微米范围。Pb在焊点最后冷却的地方析出，致使焊接强度降低，且随着Pb含量增加，热循环寿命大大降低影响焊点可靠性。如果固相中扩散和液相中扩散能够忽略，则可以由Scheil’s公式计算共晶组成，Sn2Bi在最终凝固领域共晶组成约0.5%，Sn5Bi约2%。为了得到理想界面，常进行快速冷却降低偏析，使Bi均匀分布，起到微细强化相组织作用。有时也加入Zn，使产生的CuZn化合物层与偏析Bi相互抑制，控制IMC的厚度。
3.3 铜的污染
钎料中的Cu主要来源于电路板镀层和元件镀层，SAC合金更趋向于溶解铜，速度是SnCu合金的1.5倍，SnPb合金的2倍，SnCuNi合金的3.5倍。使用SnCu钎料要密切注意Cu的含量，由SnCu合金相图可以看出：当Cu成分改变0.2％时熔点增加6℃；成分改变0.25％时产生Cu6Sn5结晶体；成分改变0.3％时明显出现桥连缺陷，需要清理；成分改变1％时熔点上升25℃，就要更换钎料。Cu6Sn5化合物不能使用传统“比重排铜法”（188℃/8h）来清除，故Cu元素超标可通过稀释和更换两种方式来解决。稀释时，对于SnCu合金可加一号锡（纯度99.95%），对于SAC合金可加SnAg合金，添加量可用
其中：G1为锡槽中剩余受污染钎料质量；G2为一号锡添加量；R为原始钎料中锡含量（SAC305为96.5）；M为污染钎料中锡含量。
实践表明，由于稀释时需要取出近一半的锡量，故一般不推荐使用。
3.4 铁的污染
铁对无铅钎料的危害同样不容忽视。由于高温锡对铁材料的高侵蚀性，使用不锈钢及铸铁的锡炉材料很容易与无铅钎料反应生成针状FeSn金属间化合物FeSn2，如图6所示。FeSn2的熔点为510°C ，密度也较SnAgCu为大，一旦在锡炉中生成，它将在锡炉底部一直生长，当达到一定量后就会进入钎料，在焊接过程中随钎料沾覆到PCB板上。由于现代表面封装中焊点间距越来越小，针状的FeSn2化合物可能在两通孔焊点之间产生桥连现现象，造成很大危害。
其中：dh是dt时间内经过截面积A而扩散的溶解物质量，起扩散方向由高浓度指向低浓度，它和扩散方向的浓度梯度及截面A成正比。
D是溶解物质的扩散系数，是浓度梯度为1时在单位时间内经过1cm2截面积而扩散的物质克数（或克分子数）。
由于存在扩散现象，故钎料与炉胆材料间生成化合物不可避免。表4为FeSn合金与温度、时间之间的关系，可以看出随着温度的升高和时间的延长，化合物厚度大大增加。
此外，Denis Barbini还发现SAC系列无铅钎料会与铁反应生成FeSn2，区别只在于反应开始的时间延迟与速度不同。侵蚀速度一般为SnAg最高，SAC次之，SnCu最低。无铅钎料一旦被铁污染，可以说很难或者根本不可能被消除，到一定程度时只能更换所有的钎料。
由于存在扩散现象，故钎料与炉胆材料间生成化合物不可避免。表4为FeSn合金与温度、时间之间的关系，可以看出随着温度的升高和时间的延长，化合物厚度大大增加。
此外，Denis Barbini还发现SAC系列无铅钎料会与铁反应生成FeSn2，区别只在于反应开始的时间延迟与速度不同。侵蚀速度一般为SnAg最高，SAC次之，SnCu最低。无铅钎料一旦被铁污染，可以说很难或者根本不可能被消除，到一定程度时只能更换所有的钎料。
4.结论
无铅焊接工艺的应用致使组装材料、设备和工艺等发生了许多变化，相应的也出现了许多新的产品质量问题。只要通过科学合理的方法去解决，充分认识无铅钎料特性，更新专业加工概念，发现问题，认识问题，进行探究与分析，找出解决之道，防止问题与未然，实现高成品率，减少和消除各种焊接缺陷问题，才是降低成本的最大根基。本文摘自《1985-2015中国SMT30年学术论文集》
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