无铅焊接工艺中常见缺陷及防止措施

无铅化制程导入过程中，钎料、PCB焊盘镀层及元件镀层的无铅化工艺逐步得到广泛应用，随之产生的各种焊接缺陷，比如表面裂纹、表面发暗及二次回流问题等困扰着实际生产的顺利进行。

一、表面裂纹

由于PCB基板材料及PCB上铜箔导线、铜过孔壁及元件引脚之间的热膨胀系数存在差异，焊接过程中PCB在Z轴方向出现的热膨胀远大于铜过孔臂的热膨胀，从而引起焊点和焊盘变形。即使PCB通过了波峰，但大量密集焊点固化热量传导至板材而使PCB继续处于热膨胀状态。一旦固化热能辐射结束，焊点就开始缓慢下降至环境温度，PCB开始冷却恢复平板状，这就在焊点表面产生很大的应力，引起焊盘起翘或焊点剥离（有Pb、Bi污染时）或表面裂纹。

表面裂纹是无铅波峰焊工艺中通孔焊点上出现的新缺陷，在接触波峰面焊点表面出现一肉眼可观察到的裂纹。IPC-610-D指出：只要裂纹底部可见，且没有深入内部接触引线和焊盘影响电气及力学性能就判定为合格，但实际生产中应尽量避免表面裂纹的产生。

1、产生机理

PCB离开波峰焊点开始固化期间，焊点开始从PCB顶部至底部逐渐固化，即是引脚和焊盘比热容小、热导率大，冷却时近元件引脚的焊点顶部和焊盘边缘也最容易冷却先固化，其次是与低温空气接触的焊点表面同时形成一层表皮。在后续固化过程中，由于焊点内部热量要释放，其热量会流向引脚，导致大块钎料凝固过程期间元件引脚继续膨胀而PCB在Z向持续收缩。

2、冷却速率的影响

快速冷却使凝固等温线移动速度快，没有足够的时间产生应变，如果产生的有效应力低于金属自身强度，焊点虽然没有发生应变，但残余应力会保留在其内部，若冷却速率太快则会产生更大的应力。在实际生产中应尽可能采用快速冷却，但不能太快，一般要求控制在10℃/s内，否则出现焊点剥离等缺陷。

3、解决措施

1）控制合适的焊接温度和浸锡时间，减少变形量；

2）控制焊点冷却凝固之前变形量，比如提高预热温度；

3）控制适当冷速：一般冷速控制在6～10℃/s，冷速对晶粒大小形态及结晶速率影响很大，避免形成方向性明显的枝晶影响钎料基体性能。

4）控制材料工艺性：采用高Tg、Z方向膨胀系数小PCB，防止大量变形产生板级应力；选用共晶钎料或含对无铅合金裂纹收缩有显著影响的元素（添加Ni）的钎料。

二、表面粗糙

大部分无铅焊点呈灰暗或者灰白色，这和锡铅焊点光滑、明亮、有光泽的表面有所不同。这一现象产生有许多原因，其中包括多种合金元素不同共晶晶核的形成，凝固时焊料的收缩及焊膏未完全凝固时元件移动或焊料流动。

焊料是由两种或多种合金组成，它的熔化和凝固取决于在焊料不同共晶可能凝固的区域。在凝固期间，最低熔点的共晶被已经凝固的微粒所包围。这就是说在焊点的最后凝固阶段，液态焊料和已经凝固的微粒形成了不同的纹理结构。其中波峰焊种强迫冷却可以帮助PCB以较快的速度降低温度，但对于上述机理没有任何实际作用。因为大多数焊点是在离开波峰之后5秒钟内就可完成凝固。在这之后的任何冷却对已经凝固的焊点都不会有重要的作用。

三、二次回流开裂

二次回流开裂主要有三种形式：引脚从焊点分离，焊点从焊盘分离和焊盘从PCB上分离。波峰焊工艺中，PCB过波峰时热量通过传导到达上板面，如温度达到或超过上表面凝固合金熔点，焊点会被再次熔化产生二次回流，元件引脚挪动脱离焊盘以释放系统应力。波峰焊中二次回流焊点分离由于以下原因会被扩大：高的预热温度，高的波峰温度，长的波峰时间，PCB厚度和密度的变化，工艺过程中PCB的弯曲和柔性等。

波峰焊工艺中控制PCB温度非常重要，一般通过温度监控来保证PCB上板面准确的温度曲线，或在元件上增加散热装置，从而避免上板面产生二次回流开裂。双面回流焊工艺中也易出现二次回流开裂。出现二次回流开裂是由于元件镀层、焊膏与焊盘镀层材料不匹配，如存在Pb污染时，在有Bi元素存在的情况下，这种问题就更加严重。图10为二次开裂J型引脚SEM照片，可以看到由于Bi引起的低熔点微裂纹。

四、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。

1、产生原因

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。

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；

3）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；

4）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；

5）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；

6）开发PCB材料与制作工艺，减少Z方向的热膨胀系数；

7）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。

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。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。