無鉛焊接在操作過程中的常見問題

目前，電子制造正處于從有鉛向無鉛焊接過渡的特殊階段，無論從環保、立法、市場競爭和產品可靠性等方面來看，無鉛化勢在必行。目前無鉛焊接還處于過渡和起步階段，從理論到應用都還不成熟，無鉛材料、印制板、元器件、檢測、可靠性等方面都沒有標準，由于有鉛和無鉛混用時，特別是當無鉛焊端的元器件采用有鉛焊料和有鉛工藝時會發生嚴重的可靠性問題。
　　有鉛焊接向無鉛焊接過渡
　　無鉛工藝對元器件的挑戰首先是耐高溫。要考慮高溫對元器件封裝的影響。由于傳統表面貼裝元器件的封裝材料只要能夠耐240℃高溫就能滿足有鉛焊料的焊接溫度了，而無鉛焊接時，對于復雜的產品焊接溫度高達260℃，因此元器件封裝能否耐高溫是必須考慮的問題。
　　另外還要考慮高溫對器件內部連接的影響。IC的內部連接方法有金絲球焊、超聲壓焊，還有倒裝焊等方法，特別是BGA、CSP和組合式復合元器件、模塊等等新型的元器件，例如倒裝BGA、CSP內部封裝芯片凸點用的焊膏就是Sn-3.5Ag焊接，熔點221℃，如果這樣的器件用于無鉛焊接，那么器件內部的焊點與表面組裝的焊點幾乎同時再熔化、凝固一次，這對于器件的可靠性是非常有害的。因此無鉛元器件的內部連接材料也要符合無鉛焊接的要求。
　　有鉛元器件的焊端絕大多數是Sn/Pb鍍層，而無鉛元器件焊端表面鍍層的種類很多。究竟哪一種鍍層最好，目前還沒有結論，因此還有待無鉛元器件標準的完善。
　　無鉛工藝對助焊劑的要求，首先由于焊劑與合金表面之間有化學反應，因此不同合金成分要選擇不同的助焊劑。無鉛焊劑必須專門配制。隨著無鉛進程的深入，由于焊料廠商的努力，無鉛焊膏質量有了很大改善。目前的無鉛焊點從外觀上看已經比前幾年有了改善。
　　過渡時期可靠性問題值得關注
　　無鉛焊接可靠性問題是制造商和用戶都十分關心的問題。尤其是當前正處在從有鉛向無鉛焊接過渡的特殊階段，無鉛材料、印刷板、元器件等方面都沒有標準，甚至在可靠性的測試方法也沒有標準的情況下，可靠性是非常令人擔憂的。現階段的無鉛工藝，特別是在國內還處于比較混亂的階段。由于有鉛和無鉛混用時，特別是當無鉛焊端的元器件采用有鉛焊料和有鉛工藝時，會發生嚴重的可靠性問題，這些問題不僅是當前過渡階段無鉛焊接要注意，而且對于過渡階段的有鉛焊接也是要特別注意的問題。
　　因為鉛是比較軟的，容易變形，因此無鉛焊點的硬度比Sn/Pb高，無鉛焊點的強度也比Sn/Pb高，無鉛焊點的變形比Sn/Pb焊點小，但是這些并不等于無鉛的可靠性好。由于無鉛焊料的潤濕性差，因此空洞、移位、立碑等焊接缺陷比較多，另外由于熔點高，如果助焊劑的活化溫度不能配合高熔點，由于助焊劑浸潤區的溫度高、時間長，會使焊接面在高溫下重新氧化而不能發生浸潤和擴散，不能形成良好的界面合金層，其結果導致焊點界面結合強度(抗拉強度)差而降低可靠性。
　　據美國偉創立、Agilent等公司的可靠性試驗，例如推力試驗、彎曲試驗、振動試驗、跌落試驗，經過潮熱、高低溫度循環等可靠性試驗結果，大體上都有一個比較相近的結論：大多數民用、通信等領域，由于使用環境沒有太大的應力，無鉛焊點的機械強度甚至比有鉛的還要高，但在使用應力高的地方，例如軍事、高低溫、低氣壓等惡劣環境下，由于無鉛蠕變大，因此無鉛比有鉛的可靠性差很多。
　　關于無鉛焊點的可靠性(包括測試方法)還在初期的研究階段。
　　目前正處在無鉛和有鉛焊接的過渡轉變時期，大部分無鉛工藝是無鉛焊料與有鉛引腳的元件混用。在“無鉛”焊點中，鉛的含量可能來源于元件的焊端、引腳或BGA的焊球。
　　有鉛焊料與無鉛焊端混用時，有鉛焊料先熔，而無鉛焊端(球)不能完全熔化，使元件一側的界面不能生成金屬間合金層，BGA、CSP一側原來的結構被破壞而造成失效，因此有鉛焊料與無鉛焊端混用時質量最差。BGA、CSP無鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的。
　　高溫對元件有不利影響。陶瓷電阻和特殊的電容對溫度曲線的斜率(溫度的變化速率)非常敏感，由于陶瓷體與PCB的熱膨系數CTE相差大，在焊點冷卻時容易造成元件體和焊點裂紋，元件開裂現象與CTE的差異、溫度、元件的尺寸大小成正比。0201、0402、0603小元件一般很少開裂，而1206以上的大元件發生開裂失效的機會較多。
　　鋁電解電容對溫度極其敏感。連接器和其他塑料封裝元件(如QFP、PBGA)在高溫時失效明顯增加。粗略統計，溫度每提高10℃，潮濕敏感元件(MSL)的可靠性降1級。解決措施是盡量降低峰值溫度，對潮濕敏感元件進行去濕烘烤處理。
　　無鉛焊料的返修相當困難，主要原因是無鉛焊料合金潤濕性差、溫度高、工藝窗口小。
　　無鉛返修應注意：選擇適當的返修設備和工具，正確使用返修設備和工具，正確選擇焊膏、焊劑、焊錫絲等材料，正確設置焊接參數。
　　以上所述都是無鉛焊接在實際操作中需要注意和解決的問題。我國在這方面的技術理論還落后于國外，要加快這方面的理論研究，早日確定無鉛化的標準規范，使得行業快速健康發展。