线路板无铅焊接的可靠性问题探讨

   目前，电子制造正处于从有铅向无铅焊接过渡的特殊阶段，无铅材料、印制板、元器件、检测、可靠性等方面都没有标准，由于有铅和无铅混用时，特别是当无铅焊端的元器件采用有铅焊料和有铅工艺时会发生严重的可靠性问题。
   有铅焊接向无铅焊接过渡
   无铅工艺对元器件的挑战首先是耐高温。要考虑高温对元器件封装的影响。由于传统表面贴装元器件的封装材料只要能够耐240℃高温就能满足有铅焊料的焊接温度了，而无铅焊接时，对于复杂的产品焊接温度高达260℃，因此元器件封装能否耐高温是必须考虑的问题。
   另外还要考虑高温对器件内部连接的影响。IC的内部连接方法有金丝球焊、超声压焊，还有倒装焊等方法，特别是BGA、CSP和组合式复合元器件、模块等等新型的元器件，例如倒装BGA、CSP内部封装芯片凸点用的焊膏就是Sn-3.5Ag焊接，熔点221℃，如果这样的器件用于无铅焊接，那么器件内部的焊点与表面组装的焊点几乎同时再熔化、凝固一次，这对于器件的可靠性是非常有害的。因此无铅元器件的内部连接材料也要符合无铅焊接的要求。
   有铅元器件的焊端绝大多数是Sn/Pb镀层，而无铅元器件焊端表面镀层的种类很多。究竟哪一种镀层更好，目前还没有结论，因此还有待无铅元器件标准的完善。
   无铅工艺对助焊剂的要求，首先由于焊剂与合金表面之间有化学反应，因此不同合金成分要选择不同的助焊剂。无铅焊剂必须专门配制。随着无铅进程的深入，由于焊料厂商的努力，无铅焊膏质量有了很大改善。目前的无铅焊点从外观上看已经比前几年有了改善。
   过渡时期可靠性问题值得关注
   无铅焊接可靠性问题是制造商和用户都关心的问题。尤其是当前正处在从有铅向无铅焊接过渡的特殊阶段，无铅材料、印刷板、元器件等方面都没有标准，甚至在可靠性的测试方法也没有标准的情况下，可靠性是非常令人担忧的。现阶段的无铅工艺，特别是在国内还处于比较混乱的阶段。由于有铅和无铅混用时，特别是当无铅焊端的元器件采用有铅焊料和有铅工艺时，会发生严重的可靠性问题，这些问题不仅是当前过渡阶段无铅焊接要注意，而且对于过渡阶段的有铅焊接也是要特别注意的问题。
   因为铅是比较软的，容易变形，因此无铅焊点的硬度比Sn/Pb高，无铅焊点的强度也比Sn/Pb高，无铅焊点的变形比Sn/Pb焊点小，但是这些并不等于无铅的可靠性好。由于无铅焊料的润湿性差，因此空洞、移位、立碑等焊接缺陷比较多，另外由于熔点高，如果助焊剂的活化温度不能配合高熔点，由于助焊剂浸润区的温度高、时间长，会使焊接面在高温下重新氧化而不能发生浸润和扩散，不能形成良好的界面合金层，其结果导致焊点界面结合强度(抗拉强度)差而降低可靠性。
   据美国伟创立、Agilent等公司的可靠性试验，例如推力试验、弯曲试验、振动试验、跌落试验，经过潮热、高低温度循环等可靠性试验结果，大体上都有一个比较相近的结论：大多数民用、通信等领域，由于使用环境没有太大的应力，无铅焊点的机械强度甚至比有铅的还要高，但在使用应力高的地方，例如军事、高低温、低气压等恶劣环境下，由于无铅蠕变大，因此无铅比有铅的可靠性差很多。
   关于无铅焊点的可靠性(包括测试方法)还在初期的研究阶段。
   目前正处在无铅和有铅焊接的过渡转变时期，大部分无铅工艺是无铅焊料与有铅引脚的元件混用。在"无铅"焊点中，铅的含量可能来源于元件的焊端、引脚或BGA的焊球。
   有铅焊料与无铅焊端混用时，有铅焊料先熔，而无铅焊端(球)不能完全熔化，使元件一侧的界面不能生成金属间合金层，BGA、CSP一侧原来的结构被破坏而造成失效，因此有铅焊料与无铅焊端混用时质量最差。BGA、CSP无铅焊球是不能用到有铅工艺中的。
   高温对元件有不利影响。陶瓷电阻和特殊的电容对温度曲线的斜率(温度的变化速率)非常敏感，由于陶瓷体与PCB的热膨系数CTE相差大，在焊点冷却时容易造成元件体和焊点裂纹，元件开裂现象与CTE的差异、温度、元件的尺寸大小成正比。0201、0402、0603小元件一般很少开裂，而1206以上的大元件发生开裂失效的机会较多。
   铝电解电容对温度极其敏感。连接器和其他塑料封装元件(如QFP、PBGA)在高温时失效明显增加。粗略统计，温度每提高10℃，潮湿敏感元件(MSL)的可靠性降1级。解决措施是尽量降低峰值温度，对潮湿敏感元件进行去湿烘烤处理。
   无铅焊料的返修相当困难，主要原因是无铅焊料合金润湿性差、温度高、工艺窗口小。
   无铅返修应注意：选择适当的返修设备和工具，正确使用返修设备和工具，正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料，正确设置焊接参数。
   无论从环保、立法、市场竞争和产品可靠性等方面来看，无铅化势在必行。目前无铅焊接还处于过渡和起步阶段，从理论到应用都还不成熟，迫切需要加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究。