铅污染问题：
由于铅的加入对锡的特性影响很大，当我们把铅除去后，在焊接过程中如果有铅的出现，将会对焊点的特性和质量造成影响。很不幸的是不良的影响。这现象我们称之为‘铅污染’。而由于从有铅到无铅的切换并非瞬时间的，所以在过渡期间我们很可能会同时存在有铅和无铅的材料（尤其是器件焊端材料）。所以我们必须了解和掌握铅对无铅焊点的影响。
铅的出现或铅污染可能对焊点造成以下的两种影响：
1．熔点温度的降低（程度看铅的含量而定）；
2．焊点寿命的损失（这方面十分敏感）；
至于在焊接性和工艺性上则影响不多。因为一般铅的成分不会很多，不足以在工艺上造成影响。
铅对熔点温度的影响相当敏感，例如对常用的Sn3.5Ag焊料来说，1%的铅的出现就能使其熔点从221oC下降到179oC；而在目前建议给波峰焊接使用的Sn0.7Cu来说，1%的铅也使其熔点从227oC下降到183oC。
目前发现对铅污染最敏感的是含有Bi的合金。当Pb和Bi在一起出现时，会产生熔点只有96oC的IMC，大大降低焊点的寿命。业界曾作过一些试验，发现含0.5%的铅（注六）会使Sn3.5Ag3Bi焊点的机械强度下降原来的60%；而其疲劳寿命也下降了32%左右（注七）。
铅对不含Bi的焊点也有很大的破坏。例如在Sn1.5Ag3.1Cu合金中，0.5%的铅会使寿命减少到没有污染的43%左右。不过关键是，其他不含Bi的合金寿命一般比SnPb高出一定的程度。所以即使在受到铅污染的破坏后，其寿命仍然合格，即相当或过于SnPb焊点。比如Sn1.5Ag3.1Cu焊点在0.5%铅污染的情况下，其疲劳寿命仍然有SnPb焊点的2倍。
所以一般认为，只要不含Bi，铅污染的问题不会太严重。但这里我做个提醒，未必所有可用的无铅合金都已经过认证。所以用户必须确保本身采用的焊料合金对铅污染的敏感性。和您的供应商探讨这问题是重要的。
‘克氏空孔’（Kirkendall Voids，注八）：
这是一种固态金属界面间金属原子移动造成的空孔现象。由美国克肯多先生于1939年发现并以其姓氏命名。在无铅技术中，由于一般焊料的Sn含量比传统的Sn37Pb高很多，而Sn和其他金属如Au，Ag和Cu等很容易出现这种克氏空孔现象（图六）。所以在无铅中算是一种较新的故障模式。
图六显示在铜焊盘和锡焊点之间存在Cu6Sn5的IMC层。而在Cu和Cu6Sn5的界面，由于Cu进入Sn的速度快，会造成一些无法填补的空孔（图中黑色部份）。这就是克氏空孔了。
克氏空孔的形成速度和温度有很大的关系，温度越高增长越快。这是因为高温增加了原子活动能量的关系。所以要预防克氏空孔的危害，必须在材料和温度上着手。一般Au，Ag和Cu是最容易和Sn间出现克氏空孔的。用户必须在这方面给于小心处理。例如用于高温的焊点（注九），其界面材料选择就应该避开使用Au，Ag或Cu直接和高Sn含量的焊点接触。比如使用Ni层隔离等方法。而在工艺中，例如使用Ni/Au镀层的，就必须确保其镀层厚度和工艺参数（焊接温度和时间）配合，使Au能够完全的溶蚀并和Ni间形成IMC。这问题容易出现在较冷的BGA底部。
OSP镀层由于在焊点形成后Cu和高Sn含量的焊点直接接触，所以对与高温应用并不是很理想。
金属须（Whisker）问题：
在含铅技术中，金属须（图六）的问题并不被大多数人重视。因为大约>3%的铅能够很好的阻止金属须的生长。但其实金属须问题在含铅技术中已经存在。在航天和军用设备上已经有遭受其危害的事例。如今当我们在无铅技术中将铅去除后，绝大多数的合金都属于高Sn含量，甚至有100%Sn在器件和PCB焊盘镀层上的应用被看好的。Sn是一种较容易出现金属须的金属。所以金属须问题在无铅技术中就成了个较热门的话题和研究对象了。
金属须并不需要环境条件来助长。目前业界对其原理还没有下定论，但一般较相信是因为内层Sn的应力所引起的。金属须没有固定的形状（图七），针形的一般可长到数十微米或更长（曾发现近10mm的）。也没有明确的生长时间，有数天到数年的巨大变化范围。
业界目前在金属须课题上面对的问题，是还没有人真正了解其机理和控制方法。虽然经过多年的研究，人们已经整理出好些有用的经验，但却还不能确定该如何预防或控制金属须。比如亚光锡（Matte Sn）的使用，虽然是目前被推荐的主要方法之一，但业界也曾发现过在亚光锡上出现的金属须。这说明这技术还不是绝对可靠的。由于了解的不到位，目前业界也没有一套被认可试验的方法。这也增加了对其研究的困难。
通过各方的研究以及业界的经验，整理出较被认可的论点可以总结如下：
在影响金属须生长的因素方面有：
- 金属种类和合金成分
- 金属镀层的厚度
- 镀层表层的微晶结构
- 镀层的电镀工艺（电镀液配方和电镀参数）
- 库存温度（发现在10oC以下增长较快）
- Sn中的碳和有机物含量
- 机械应力（内部和外加）
在处理或预防方法上，有用的经验有：
- 使用亚光锡，目前还推出据说更好的锻光锡工艺
- 使用较厚的Sn镀层
- 对已经电镀好的Sn面进行浸锡加工
- 在Sn中加入其他金属（例如Bi，Sb，Cu等）
- 在Sn的镀层和基材间加上另外一层不同金属（比如镍），改变其IMC界面的金属迁移特性
- 电镀后煅烧退火
- 三防喷涂
- 减少PCBA安装时的机械力（例如螺丝孔造成的扭曲力等）
以上方法在一定程度上有效，但还不足于给人们完全放心。目前在这课题上的状况是“风险不算大，但随机性强，还需要不断摸索研究！”
锡瘟问题：
锡瘟是锡在低温下改变其微晶结构相位所造成的一种现象。锡瘟在形成时的体积增长约26%，性质很脆，称粉状，所以对焊点会造成可靠性问题。形成时出现像疙瘩状的表面（图八）。锡瘟有一定的延迟生长时间，可能达数年之久。但一旦开始形成就会快速的蔓延。锡瘟一般在低于13.2oC以下开始形成，约在-30几度时形成速度最快。
锡瘟现象曾被发现在SnCu，SnZn，和SnAg合金中，表示无铅材料可能具有这方面的风险。Sn中的Al和Zn杂质也会助长锡瘟。在有铅技术中，锡瘟不是个关注的问题，因为Pb可以阻止锡瘟的形成。我们也发现两种较Pb还能阻止锡瘟的金属，就是Bi和Sb。少量的（0.2-0.5%）的Bi或Sb能够预防锡瘟。所以这是个推荐的方法。
虽然我们对锡瘟的现象和原理已经有较好的了解。但在SMT无铅技术中，锡瘟并不是一个重点研究的对象。这可能是由于锡瘟不像金属须问题，它在电子业中并没有具体的破坏事例。在70年代，当时器件的镀层是以纯Sn为主，也就是最敏感的。但也没有报告说受到锡瘟问题的破坏。所以，锡瘟的目前状况，也是属于一个有担心但非急于解决的问题。
后语：
从电子业开始谈无铅技术到现在，已经有超过15个年头了。但对无铅的可靠性研究和把握的角度来评估的话，我们还只是开始入门。研究、观察经验虽然有一定的量，不过因为技术的复杂和变数众多，使我们还不敢断然说无铅已经是具备高可靠性的技术了。
虽然如此，这些不确定性并不会真正影响我们的推进以及可能在明年中的较全面采用无铅技术。因为我们在小量研究和应用中，也没有看到较大的风险。无铅的目前问题较多出现在表面上，也就是加工工艺上。按一贯的做法，我们业界也许不会很深的去注意产品的寿命问题。在确保产品寿命的工作上，我们普遍的问题不只是在监督系统上缺乏，知识和能力也缺乏。另一方面，占电子业最大一部份的许多消费电子类产品，都是走向功能快速更新和低价格的趋势，这也驱使业界无需，也无能力太关心产品的寿命。所受到影响的，是为数较少的一些行业。而这些行业目前也因为豁免等条件使他们没有受到太大的压力。
我们在质量研究的工作上，不论是方法上、数量上、或是协调上，似乎跟不上无铅技术的发展要求。但除非有越来越多的企业，真正以质量来作为竞争手段（光喊口号不算！），不然在可靠性的研究工作，虽然还会持续下去，但估计不会有革新的局势出现。将来的发展，我想还是个商务和技术之间的平衡问题。而我们从以往人类的发展经验中，大略也可以想象局势会朝那边走。反正无铅的推行在电子业中已经闹了大笑话，人们为了其他目的，也不想承认和改变它的发展。只要大家还有的争饭吃，我想其他的也不会太去关心了。
这系列有关无铅技术的文章，我摘要的和读者们分享了无铅的发展、无铅材料（包括焊料、器件、PCB）、无铅工艺以及本期的可靠性方面的经验。系列文章也接近尾声了。我将展延一期，和你们分享许多人比对可靠性更关心的课题。就是生产工艺在无铅技术中优化方面的知识。
注一：这类产品也称为0oC / 100oC 产品。指的是其应用温度和研究范围。
注二：这类产品也称为-55oC / 125oC 产品。
注三：本研究是统计各个大也就机构和企业中，无铅和有铅的技术资料数量以及统计实际工作时间比例。
注四：IPC/JEDEC标准J-STD-020C中有清楚的限制建议。
注五：SMD焊盘由于其不可润湿的绿油覆盖在焊盘上，这部份不容易形成很好焊接面，而在使用中会由于曲翘等造成的应力而开始产生断裂。不过使用在通孔波峰焊接中，由于焊点的结构上，这部份的应力不大，也非关键部份，所以一般认为可以接受。
注六：0.5%的铅含量，是一般焊点在实际应用中可能从器件焊端镀层中得到的污染量。可能污染的程度，具分析约是0.2% - 0.5%。
注七：SnAgBi焊点的寿命和SnPb相当，但一旦出现铅污染，其寿命就会大大低于SnPb焊点。
注八：齐氏空孔是美国Ernest Kirkendall先生于1939年发现的一种物理现象。所以以其命名为Kirkendall空孔。
注九：高温应用的焊点，指那些通过高电流容易发热的点。或是器件本身是高功率操作，而通过焊点散热的设计。
