PCB无铅焊接缺陷分析

  转到使用无铅焊接，对大部分电路板组装影响甚小。大部分无铅应用实施会带来除物料及物流以外少许的变化，因为多数应用中，在找到最优化的工艺设定后，无铅焊接能达到变化前一样或更好的质量。

但是在变化多样的电子装配中也有例外，对某些装配有利的方面则会对另一些带来不利。不同的熔点，另外的金属间化合物，不匹配的膨胀率以及其他物理特性等会使新老问题加剧并很快显露出来。

    外观问题还是缺陷？

    无铅焊接中首先注意到的是外观灰白并粗糙，非常不同于很久以来锡铅（尤其是Sn/Pb/Ag）焊点光滑亮泽的特点。

    最近的IPC-A-610-D为质量工程师提供了定义缺陷及可接受的标准。如典型的焊接问题：焊点裂纹，脱离焊盘，焊盘翘起，表面皱缩，空洞。

● 已知的焊接缺陷可以根据以下主题进行分类：

●元器件的损坏，锡铅和无铅的混用

●PCB线路板材料和高温

●助焊剂活性和高温

● 无铅合金的特点

● 焊锡污染

● PCB线路板材料和高温

● 过热及其他回流缺陷

    很多潜在的焊接缺陷源于过高的焊接温度。基材之间以及基材和铜之间的分层，PCB线路板变形是由于低质量PCB线路板和高温效果共同造成的典型缺陷。

    在对BGA芯片进行回流焊时，控制冷却速度非常重要。冷却太快会形成好的焊点结构，但会加剧BGA载板和材料的变形。为了减少BGA和PCB线路板材料的变形，最好是使用可控制的慢速冷却。

高温所带来的另一方面的影响是会形成吹气孔。PCB板在焊接过程中会散发气体，这些气体源于吸收的水分，电镀层包含的有机物，或者是层亚板中包含的有机物等等。

    PCB线路板无铅镀层的使用也产生了许多问题。这些问题包括黑盘现象，多孔金层，有机焊料保护层（OSP）或化学银保护层的氧化，以及化学银镀层缺乏光泽。

助焊剂活性

     助焊剂在焊接过程中扮演者主要角色，很多缺陷归因于助焊剂缺乏活性。活性强的助焊剂能去除氧化防止桥接。焊锡上有氮气覆盖可以去处氧化，提高润湿特性，从而增强化学锡性能。如果有足够的助焊剂活性或氮气环境，就不会出现如拉尖或冰柱的缺陷。

助焊剂应能适应焊接过程中的高预热温度，热空气对流，高焊料温度，双波峰，还有PCB线路板镀层及阻焊层。

元件问题

    与元件相关的缺陷分为两种：一. 与元件镀层相关的缺陷。首要是锡须问题，另外有铅污染以及含铋镀层会导致焊接中低熔点部分而产生缩孔，波峰焊接时的二次回流，增加焊盘脱离的风险；二. 低质量原材料导致的缺陷。这包括湿气的吸收，塑料的熔化或变形，无铅焊接的高温引起基材分层。

    最好使用符合RoHS的元件而不仅仅是无铅元件。符合RoHS意味着耐高温而且只有这种材料不违反正在实施的欧洲RoHS法规。

高焊接温度

    所有在波峰焊接中直接和液态焊料相邻的部分，由于液态焊料传给焊点的热能，其温度都会升高并膨胀。各种材料的热膨胀系数不同，并且在无铅焊接的高温中膨胀程度更高。环氧玻璃材料PCB线路板的热膨胀随温度而变化，这种膨胀在Z轴尤其突出。由于镀铜过孔和PCB基材不同的热膨胀率焊锡连接会出现变形，这种变形主要集中在焊盘区域，焊接中出现楔形。这种变形是一种动态过程，它使焊盘在焊接过程中上下移动，移动又导致焊点裂缝的产生。

IPC-A-610-D定义了缩孔的接受程度：

焊接裂缝：根据IPC-A-610-D, 没有接触焊盘，金属过孔或元件引脚的裂纹是可以接受的。

● 裂纹底部可视

● 裂纹或缩孔没有接触焊盘，金属过孔或元件引脚

    焊盘和焊角翘离的成因有着相同的机理，即材料热膨胀性的不匹配。详情请参照2005年4月EPP杂志维多利绍德公司G.Schouten撰写的“The physics of critical failure mechanisms” .PCB与焊锡接触时间更长，穿孔的填孔效果也会更好，更高的焊接温度有益于焊点润湿。当同时具备接触时间长和焊接温度高时就会有导致以下几种缺陷的危险：

    吹气孔铜溶出

    焊盘的铜溶解于焊料中。如果铜层太薄，非常长的接触时间会使铜完全溶解。

二次回流

     如果波峰焊接过程中温度超出焊锡膏的熔点SMD元件会被再次熔化。焊锡可能会被吸走使得元件引脚脱离焊盘，有时引脚和焊盘之间会保留少许连接并能通过电流，要发现这种缺陷就更加困难。在易发生的元件上放置散热器可以防止二次回流。

焊料上吸(灯芯效应)

    焊锡从焊接处向上流走，造成焊点焊锡不足。

元件损坏

    有些元件（如MELF）在锡波的熔锡中停留过久就可能碎裂。另外一种情况，元件的点胶承受不住高温而掉入焊锡中。

焊锡污染

    有些金属会溶解于无铅焊料中。焊料的温度流速和合金成份确定了这种溶解的速度。因而要求持续监测焊料成分。

    铅，铋，铜及其他金属对焊料的污染会影响固化过程，锡铅铋合金会在焊料间形成低熔点部分，在加上作用于焊点的机械应力，就会造成焊接裂缝。

如果锡槽的构成材料没有没有足够的防护层，材料（不锈钢）中的铁会溶解于焊锡中形成FeSn2晶体。这种晶体的熔点高达510℃，因而会保留在焊锡中。由于在锡槽角落的锡流较慢，晶体通常集中在在角落处。但是如果晶体与焊锡一起被泵出，晶体可能会留在焊点处引起桥接。

回流焊接相关的缺陷

    无铅焊接使回流工艺窗变小。为了使焊锡完全熔化并且不损坏别的部件，一个关键的指标是达到并保持最小的DT（在组件上最冷和最热点的温度差）。事实上很多回流焊接的缺陷都和印刷及焊锡膏特性有关。无铅焊接中的缺陷和曾经发生于SnPb工艺中的相似。

锡桥

    造成的原因有：丝网印刷不准确，印锡形状模糊，锡膏塌落，锡膏过量或者是元件贴片不准确。

锡珠

    这是一种位于元件侧面的焊锡球。锡珠常见的原因有：焊盘上锡膏过多，锡膏印刷不准确，溶剂形成的气体在回流预热时从锡膏中排出。

元件一端立起

    这种命名形象的现象发生在片状元件翻起并立于焊接端。一些研究表明无铅焊锡膏可以降低元件一端立起的发生几率，那是因为无铅焊锡的润湿程度小而作用在元件上的力（如表面张力）也同样明显减小。

对BGA元件使用混合材料

    当焊锡膏和BGA焊锡球材料不匹配时可能会出现问题。如果使用无铅焊锡膏于BGA锡铅焊锡球，锡球在183℃时熔化，而此时焊锡膏的气体仍在排出。由于锡球已经熔塌在焊锡膏上，气体只能排入SnPb中形成大的空洞。如果使用SnPb焊锡膏于无铅的BGA焊锡球，必须确保锡球完全熔化以达到充分的自我对准。

建议

    很多缺陷和PCB线路板材料质量相关，板的可焊性依赖于好的存储条件，受控的物流，合格的供应商。

对波峰焊接，焊锡温度尽可能设低，防止元件过热，材料损坏，尤其是焊锡膏再熔化（二次回流）。

    低的焊锡温度能减低熔化的锡对锡槽及叶轮的侵蚀作用，而且限制FeSn2晶体的生成。

    在波峰焊接和回流焊中，很多缺陷源于助焊剂活性不够。好的助焊剂能够经受住高温，防止桥接等。很多的实验设计也证明了助焊剂的重要性。

    优秀的制成工艺控制可以降低缺陷水平。使用SPC和Pareto技术检测制成工艺的稳健性，完善组件设计更是关键。回流焊接中充分的制成工艺控制既可以防止过热又能降低缺陷发生率。