无铅焊点的可靠性研究,无铅焊点；可靠性；失效；锡须-SMT 技术文章

摘要: 电子产品的质量很大程度上取决于焊点的质量与可靠性。在无铅化进程中，由于无铅焊点焊料的不同和焊接工艺参数的调整，必然会给焊点可靠性带来许多新的影响。本文进行了焊点的失效分析，并从PCB和模板设计、表面组装材料、及工艺角度分析了影响无铅焊点可靠性的因素，最后分析了焊点的常见的可靠性问题的产生原因及解决办法等。

关键词:无铅焊点；可靠性；失效；锡须

Research of Lead-free Solder Joint’s Reliability

YANG Zong-Liang

(Deptment of Electronic Machinery and Transportation Engineering of Guilin University of Electronic Technology, guangxi Guilin 541004)

Abstract: The quantity of the solder joint is an important effect factor of the quantity of electronics product. In the process of Lead-free, because of the difference of lead-free solders and adjustment of technical parameter, we will face many new problems of reliability. This paper introduces the reliability of lead-free solder joint、the effect factors of reliability and analyze some usually reliability problems. And the same time, some method of reducing or solving reliability problems is presented.

Key words: Lead-free solder joint；Reliability；Invalidation；Tin whiskers

中图分类号:TG4 文献标识码:A

长期以来，在电子行业中Sn-Pb合金作为主要的焊料起到了举足轻重的作用。全球电子行业每年消耗的铅约为20000t，大约占世界铅年总产量的5%。但是Pb是一种有害物质，Pb和Pb的化合物已经被列入了17种对人体和环境毒害最大的化学物质之一。欧盟已通过立法颁布了RoHS和WEEE，来限制铅等有害物质在电子产品中的应用。美国和中国也正积极考虑通过立法来减少和禁止铅等有害元素的使用。由此可见，无铅是电子行业发展的必然趋势。

目前，电子制造正处于从有铅向无铅焊接过渡的特殊阶段，各种材料和工艺都还没有完善的标准；微细间距器件的发展，组装密度越来越高等，导致焊点也越来越小，但其所承载的力学、电学和热力学负荷则越来越重；无铅焊料的熔点温度较高，元器件要承受更大的热冲击和有铅和无铅混用等问题，于是就会引起许多可靠性问题。其中焊点是失效是其主要原因之一。因此焊点的可靠性更加受到人们的关注。

作者简介：杨宗亮（1981—），男，河北邢台人，桂林电子科技大学硕士研究生，研究方向为微电子表面组装。Tel：(0773)5601304；E-mail：yang318180@163.com；

SMT焊点失效主要由热疲劳损伤引起，热疲劳主要由两个方面引起：⑴ SMT产品组装过程中通过再流焊或波峰焊炉时，所必须承受的高温和冷却。⑵ 焊点使用过程中所必须承受的热循环和通电过程中产生的热量。等温机械疲劳是由热错配所引起的机械疲劳，它包含在热疲劳之中。由大量实验表明：热疲劳和等温机械疲劳都是由蠕变与疲劳交互作用所引起的失效过程，两者在显微组织变化过程和裂纹扩展速率等方面均很相似。

SMT焊点失效机理为累积损伤机理，是蠕变与疲劳机制损伤等各种损伤的复合累积。宏观上，焊点裂纹是由热疲劳损伤所引起的。这些裂纹首先出现在远离焊点中心处的焊料与基片过渡区域，也即高应力点。然后逐渐沿焊料与基片界面逐步的扩展到整个焊点长度，从而使整个焊点都失效。微观上，热疲劳断口表面既有疲劳条纹的特征，又有晶界微空洞和蠕变沿晶界断裂的痕迹^[1]。

与传统的含铅工艺相比，由于焊料的差异和工艺参数等各方面的调整，无铅化焊接必不可少的会给焊点可靠性带来一定的影响。最主要的是是目前无铅焊料的熔点较高，一般都在217℃左右，而传统的Sn-Pb共晶焊料熔点只有183℃，焊接温度的提升，直接带来的是焊料易氧化及金属间化合物生长迅速等问题。其外由于焊料不含Pb，焊料的润湿性能较差，容易导致产品焊点的自校准能力、拉伸强度、剪切强度等不能满足要求。

由此可见目前在无铅化焊点可靠性方面仍存在许多问题，因此下面我们有必要介绍一下影响无铅焊点可靠性的因素。

在设计过程中，各种参数设计不合理都会导致可靠性问题。如焊盘设计不合理，发热量大的元件分布太集中，或者小元件相邻高大元件，从而在回流焊时产生“高楼效应”，形成热风冲击等都会影响焊点的质量。下面对无铅中要注意的一些设计问题做一个介绍。

PCB的设计：由于无铅焊接温度的升高，工艺窗口越来越小，热敏感期间问题。在设计中，热设计跟加重要，包括元器件的布局、PWB的结构、铜布线等，使得再流焊过程中温度尽可能小。

焊盘设计：一般，无铅与有铅的焊盘设计基本相同。但由于无铅焊膏的润湿性与铺展能力较差，对于矩形焊盘，常常出现焊料在四角未能完全覆盖焊盘，影响长期的可靠性。因此对于可焊性差的PCB，可以考虑圆角过渡。

模板设计：模板的开口一般比有铅大，①对于Pitch>0.5mm的器件，一般采取1:1.02～1:1.1的开口，可以适当增大模板厚度。②对于Pitch>0.5mm的器件，通常采用1:1的开口，原则上不用缩小。③对于矩形器件，为有效降低元件底部锡珠、墓碑、回流时旋转等现象，可将焊盘开口内侧形状修改。模板宽厚比和面积比要求，由于无铅焊膏填充和脱模能力较差，对模板开口孔壁光滑度和宽厚比/面积比要求更高，一般宽厚比>1.6,面积比>0.71^[2]。

表面组装材料包括焊膏、助焊剂、清洗剂、阻焊剂和防氧化剂等等。其中焊膏极为重要，因为其对工艺参数的选择和焊接的结果特别是焊点有很大的影响。所以我们对焊膏材料的选择和管理要求特别严格。

无铅焊料也不例外。在焊膏管理方面，由于无铅焊膏的润湿性差及粘性和流变性变换等原因，无铅焊膏的管理比有铅的更加严格。当选定某种焊膏后，我们需要彻底的了解如；印刷性、脱模性、触变性、热膨胀系数、导电性、导热性、金属间化合物的形成及其影响和熔融温度等特征。以方便我们科学的管理。

在SMT、MCM制作工艺过程中。通常会遇到诸如焊料储存温度不当，焊盘焊料不足，再流焊温度曲线设置不当等问题。就无铅焊接而言，由于无铅焊料的特性与原来焊料特性的不同，在生产中我们需要调整原来的工艺。

贴装工艺：在无铅情况下，一般贴装工艺不会受到太大影响。但由于无铅的低浸润力，回流时自校正作用非常小，因此贴片精度比有铅时要求更高。我们需要采取控制精确编程、控制Z轴高度、采用可减少震动的无接触拾取等措施来弥补这些缺点。同时由于无铅焊膏粘性和流变性变化，贴装过程中要注意焊膏能否保持粘着性，从贴装直到进炉前能否保持元件位置不发生变化。

再流焊工艺：由于无铅再流焊有高温、工艺窗口小和润湿性差等特点，所以我们要积极的采取一些应对措施。如表1列出了各种应对措施。

特点	对策
高温	设备耐高温，加长升温预热区，炉温均匀，增加冷却区
高温	助焊剂耐高温，PCB耐高温，元器件耐高温，增加中间支撑
工艺窗口小	预热区缓慢升温，给轨道加热，减少PCB及大小元器件的
	提高润湿区升温斜率，避免助焊剂提前结束活化反应
	尽量降低峰值温度，避免损害PCB及元器件
	加速冷却，防止焊点结晶颗粒长大
	对湿敏感器件进行去潮处理
润湿性差	提高助焊剂的活性，增加焊膏中助焊剂的含量
	增加模板开口尺寸，焊膏尽可能完全覆盖焊盘
	提高印刷与贴装精度。
	充N₂可以减少高温氧化，提高润湿性

在无铅焊接过程中，我们会需要有可靠性问题，其直接影响着我们的焊接质量。在这里我们分析一下焊接中容易出现的可靠性问题，以利于大家解决焊接过程中遇到的焊接问题。

空洞是焊接后互连焊点内出现气孔的一种现象。在BGA／CSP等器件上这种缺陷表现的尤为突出。其产生的原因主要是：助焊剂没有充分的蒸发。虽然人们认为小的空洞是可以接受的，但其毕竟会对可靠性产生一定的影响，所以我们还必须重视它。

在无铅焊接中，空洞仍然是一个必需关注的问题。这是因为在熔融状态下，无铅焊膏与有铅相比表面张力更大，表面张力的增加，势必会使气体在冷却阶段的外溢更加困难，使得空洞比例增加^[3]。锡膏中助焊剂的配比是影响焊点空洞的最直接因素，因此控制锡膏中的助焊剂含量是减少空洞的有效方法。

无铅焊点的原始IMC层略厚，但无铅焊点在PCB与焊料间的Cu₃Sn+Cu₆Sn₅层增长比传统的Sn-Pb焊料稍微缓慢一些。在焊料和引脚镀层界面，只能观察到Cu₆Sn₅相，此界面的IMC增长随引脚镀层的不同而不同，对于纯锡和Sn-3Cu镀层，IMC的增长同Sn-Pb/Sn-Pb焊点相似；Sn-3Bi镀层组成焊点的IMC层在普通老化条件下的增长比其它焊点略快，在严酷老化条件下(例如150℃老化32天或175℃老化8天)，IMC增长非常快，在引脚／焊料界面可以观察到裂纹。除了这种情况外，不管PCB界面还是引脚界面的IMC增长均遵循抛物线规律。因此我们需要根据镀层材料的不同，来改变我们的工艺，以控制IMC的增长速度不至于过快也不会过慢^[4]。

锡须是从元器件和接头的锡镀层上生长出来的，如果这些导电的锡须长得太长的话，可能连到其他线路上，并导致电气短路。锡须的生长需要一定的时间，所以其长期可靠性的影响比较大。目前还没有确切的研究来说明锡须的产生原因，但现在肯定的一点是应力对锡须的生长有影响。在实际中，我们总结了一些减少锡须的产生措施。具体措施如下：

④电镀后24小时内退火（250摄氏度2小时或170摄氏度1小时）,以减少Sn层内应力；

⑥用Ni或Ag阻挡层（0.1-2μm）防止Cu扩散形成Cu₆Sn₃的IMC；因此Ni层Sn膜下产生张应力降低了锡须的产生率^[2]。

立碑问题为片式元件的一端焊接在焊盘上，而另一端则翘立，这种现象就称为曼哈顿现象。引起这种现象的主要原因是元件两端受热不均匀，焊膏熔化有先后所致。影响立碑的主要因素有：(1)元件排列方向设计不正确。(2)预热不充分 (3) 焊盘设计质量的影响^[5]。由于无铅焊料的熔点温度跟高，因此无铅更容易引起立碑发发生。为了减少立碑的发生，我们更因该注意上面因素的影响。

虚焊是由于焊接温度偏底，焊料没有完全熔融而引起的。在无铅焊接中，无铅焊料与Sn-Pb合金焊料相比，多数无铅焊料成分偏离共晶点较远，其液相线温度和固相线温度存在着较大的间隔，焊接过程中，焊料往往处于部分熔融或凝固的状态，很易导致“虚焊现象”^[6]。因此，我们要调整好我们的回流（波峰）焊接温度曲线，以使我们的焊料能够充分的熔融。

近几年来PCB装配工业在焊点的失效方面备受“黑盘”缺陷的折磨。在无铅中，黑盘现象更为突出。在黑盘处手指轻轻一推，元件就会掉下来，这样就会焊点失效。黑盘产生的主要原因有：

1、PCB焊盘金镀层和镍镀层结构不够致密，表面存在裂缝，空气中的水分容易进入，以及浸金工艺中的酸液容易残留在镍镀层中。

2、镀镍时磷含量偏低或偏高，导致镀层耐酸腐蚀性差，易发生腐蚀变色，出现“黑盘”现象，使镀层可焊性差。

4、作为可焊性保护性涂覆层的金镀层在焊接时完全熔融到焊料中，而镍镀层由于可焊性差不能与焊料形成良好的金属间化合物，最终导致虚焊或焊点强度不足从PCB上脱落。

有时当我们焊接完成后，发现焊点从焊盘上剥离开，从而使焊点失效。产生这种现象的主要原因如下：

由于焊盘和元器件的热膨胀系数相差太大，导致焊点在焊接过程中产生很大的应力，从而把焊点从焊盘上剥离。

63Sn37Pb合金从室温声道183℃，体积会增大1.2%，而从183℃降到试问，体积的缩小却为4%，故锡铅焊料焊点冷却后有缩小现象。因此有铅焊接时也存在Lift-off,尤其在PCB受潮时，无铅焊料焊点冷却时也同样有冷却收缩现象。

由于热场分布不均匀，从而加重了应力的不均匀，使有的地方应力过大。焊点在应力的作用下，从焊盘上剥离。

在无铅化的进程中，由于焊料的不同和焊接工艺参数必要调整，必不可少的会给焊点可靠性带来许多新的问题。因此焊点的可靠性更应受到我们十足的关注。我们应该从失效产品中分析焊点的失效模式和失效机理；从设计、材料及工艺等角度分析影响无铅焊点可靠性的因素；积极的分析各种可靠性问题的产生原因和解决办法；制定无铅的各种标准来规范无铅产品的生产。从而提高产品质量和可靠性水平，以推动无铅化进程。

[1] 杨峰. 温度对焊点可靠性的影响. 印制电路信息[J].2004,(10) 55-57

[2] 潘开林.无铅电子制造技术[D].桂林：桂林电子科技大学微电子教研室

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[4] Gregory Henshall.蔡卫东译．元件焊端镀层对无铅焊点可靠性的影响[J]．现代表面贴装资讯．2000，（5） 42-51。

[5] 中国电子学会生产技术分会.无铅焊可靠性[J]．电子电路与贴装．2004，（2）43-47 。

[6] 黄惠珍，魏秀琴，周浪．无铅焊料及其可靠性的研究进展[J]．电子元件与材料．2003，22（4） 39-42。

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