无铅焊接中的焊点剥离问题

无铅焊接中的焊点剥离问题
引 言
现有大多数无铅合金材料的熔点温度在210-227oC间, 与铅锡共晶合金相比高出30-40oC之多。通孔波峰焊过程,印制板主面(焊接终止面)上的峰值温度,约120-170oC间,加上通孔器件的支撑空间限制了温度的上升，而表面贴装器件将承受高达265oC的波峰焊温度。
  连接器,插座之类功能器件的结构材料为PCT高分子聚合物,，因此其能满足组装焊接工艺的改变所带来的影响,可用于无铅合金240-245oC的再流焊温度。
   在实施组装无铅化过程,不可避面地在一段时间内,会面对器件引脚或印制板表面含铅镀层混合组装的问题，这将直接导致剥离缺陷的产生。从大量实验数据得：剥离产生的主要原因是器件引脚或印制板表面镀层的铅污染的结果。剥离缺陷有两种,一是焊点与印制板焊盘分离,另一种是焊盘与叠层基材分离。合金的铅污染在接近焊点界面发生，造成液相合金不同的凝固的速度。如印制板在接近再流焊温度,铅污染也可能造成二次再流的问题。有些焊料制造商推荐采用含铋四元合金材料。
本文将着重讨论有关剥离缺陷的产生，原因及予防的方法。实验使SEM观察分析印制板焊点的剥离现象,在焊盘表面焊料被部分湿润,而在凝固阶段,焊点的边缘与焊盘分离。显微图片显示焊盘与印制板基材分离也发生在焊料凝固转化阶段。同时,在无铅通孔波峰焊过程,也经常发生的焊点热撕裂问题。
事实上,焊点的剥离在电子组装焊接工艺中并非是一个新问题,在表面贴装或通孔器件印制板的波峰焊工艺早已发现此类缺陷问题,当时使用的印制板热膨胀系数要比现在高很多,印制板在焊接冷却过程收缩,导致焊盘从基材表面分离。
  通孔器件波峰焊工艺采用不同无铅合金进行,即使在焊点界面无铅污染,也同样出现剥离问题,造成这些缺陷的原因最大可能是在糜糊状态合金的热胀冷缩有关。如果63/37 或 60/40 PbSn合金也像无铅合金一样在焊接冷却阶段有糜糊状态，现在也不清楚是否会出现类似的情况。目前波峰焊,侵入焊,及双面再流焊工艺，通常使用锡银铜无铅合金或锡铜合金，在印制板通孔焊点剥离缺陷明显要比PbSn合金增多。
波峰焊与再流焊形成的无铅焊点形貌与传统含铅合金略有差别,这主要是不同的合金,其在冷却阶段的凝固速度,及焊点表面残留焊剂所致。
近年来,组装厂对通孔再流焊工艺抱有很大的热情,在焊接过程,器件引脚与焊点间形成连续的焊点,熔融焊锡湿润引脚表面成为可靠金属连接,在连接界面的焊点与表面镀层间明显存在差别。这种现象在焊接一些耐熔性金属,如钯，金或银是常见的。
   在无铅通孔再流焊过程中,另一种情况是经波峰焊后, 印制板上的焊剂残余物增加。在再流焊过程较高的工艺温度,采用高固体含量的活性焊剂，以保护焊接金属表面在再流焊过程免受再氧化，这样就增加了器件引脚镀层表面的焊剂残余物。
   自2006年7月RoHS正式实施,将对整个电子组装产生重大影响,无铅合金焊接技术的应用，必然会涉及包括产品的设计,材料,工艺等方方面面的变化。本文仅就环绕焊点剥离的问题展开讨论。
印制板焊盘图形设计
印制板的的工艺性设计有利于减少产品焊接过程的缺陷产生,许多实例足以证明设计的工艺合理性与可行性可避免或减少短路,碑立,空洞,印制板扭曲变形等缺陷。例如排流焊盘可减少短路，窄形焊盘可消除焊点的开裂等。
       无铅印制板的布局与布线设计，无特殊设计原则及改变。对设计进行一些改良来克服工艺缺陷，满足无铅焊接的要求。用来减少焊点缺陷的维一作为是减小印制板焊盘的几何尺寸。
采用阻焊层定义焊盘,阻焊层图形复叠在焊盘平面上,这是一种减少焊盘尺寸的方法，通孔盘的大小对焊点强度的仅具很小影响。
单面印制板焊盘/通孔与引脚的比例对焊点强度是重要因素。
图 1  金属化通孔,焊盘与阻焊层复盖图形定义焊点（左图为设计更改前,右图为设计更改后）
图1所示使用阻焊层定义焊盘表面,这种焊盘设计明显减少焊点缺陷的产生，印制板顶面焊盘面积减少,随之焊点的尺寸也减小,焊点对连接强度无明显影响。在焊盘设计未更改前,焊点也无完全铺展复盖印制板顶面的焊盘，导致缺陷的产生,或工艺警示。焊盘尺寸的减小,使得焊点能很容易复盖焊盘表面。一定量的焊锡横过焊盘,对通孔的隐蔽作用减少,给形成正常的焊点提供正向的作用。有些人认为焊点剥离与热撕裂是良性的,而焊盘剥离则是对可靠性造成潜在的危害。
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焊点剥离 焊盘剥离 热撕裂
   
良性 恶性 良性

表1 焊点/焊盘剥离与撕裂图示
图2 焊点剥离与撕裂X射线检测图像
无铅波峰焊必须面对下面的变数:
焊点短路缺陷增加,
焊点剥离/焊盘剥离/焊点撕裂,
弯曲变形,
锡锅腐蚀,
印制板顶面温度控制,
印制板铜导带腐蚀。
下文针对与无铅波峰焊紧密相关的焊点剥离问题展开讨论；
图3 印制板铜导带腐蚀
从图3所示印制板铜导带腐蚀，波峰焊高的工艺温度,焊料合金高的含锡量两个因素,使得铜在焊锡熔液中的溶解速度加快,在正常的工艺条件下,铜是主要的污染；由于焊点短路缺陷增加,将直接影响焊接工序的产能。铜含量高的焊点其形貌明显不同,但至今尚未有数据证明对焊点可靠性会带来不利影响。无铅合金SAC，铜是合金的组分之一,含量在0.5 - 0.7%间。本文使用三种不同表面镀层的印制板,进行无铅波峰焊工艺实验，观察分析不同工艺对焊点剥离与铜带腐蚀的影响。
OSP/裸铜焊盘,
金/镍镀层,
银镀层。
  印制板基材是1.6mm FR4，金属化通孔，孔径0.9mm,印制板涂复阻焊层,实验使用印制板边沿连接器,连接器引脚0.75 x 0.75mm表面镀锡。多引脚连接器可便于观察焊点的剥离的产生。全部实验6块印制板,每种表面镀复层层落实块印制板。金/镍镀层在波峰焊过程,镍的腐蚀速度要比铜慢得多,起到阻挡层的作用,因此降低了铜的腐蚀速度。
图4 通孔焊盘/导带焊点剥离
通孔再流焊工艺
通孔再流焊工艺采用模板将焊膏转印在印制板上,有些样品的通孔焊锡充填与焊剂在通孔内的渗透有关,印制板底面的焊点及通孔与引脚均显示湿润性,无铅合金与传统的PbSn合金略有差别。
传统的模板印刷适用于表面贴装器件的焊盘,然而通孔再流焊工艺必须将焊膏复盖通孔焊盘,且需要渗入通孔内,实验使用SAC焊膏，模板厚度150um（0.006"），焊膏印刷量按连接器的引脚间距及支撑高度决定，模板厚度也应按印制板其他精细间距器件来决定。
焊膏印刷使用流变密封印刷头,这种类型的印刷头具有提高焊膏进入通孔的渗透能力,及减少传统刮刀印刷的焊膏损耗。焊膏在通孔的填充达80%以上。通孔再流焊可以使用厚模板，标准刮刀印刷焊膏，但是流变密封印刷头明显改进了焊膏对通孔的渗透力。

图5 流变密封印刷头印制板焊盘/通孔焊膏印刷
印制板印刷焊膏后,在通孔插装连接器之前,先将表面贴装器件贴装安置在涂复焊膏的焊盘上,
完成印制板的器件安装后,即刻转入再流焊工序,同时进行表面贴装器件与通孔的焊接,再流焊系统的长度与加热区的配置根据加工的产能，产品的类型及再流峰值温度的要求来选择,大多数无铅合金的再流焊温度240oC -245oC或以下。印制板板面安装器件的大小,及布局会直接影响印制板板面的温度梯度,应调整再流焊工艺曲线尽可能地满足所有器件再流的要求。经优化后的再流焊峰值温度，焊锡液相温度以上的持续时间一般在60-80秒间。
通孔再流焊焊点的可靠性
  通孔再流焊焊点的强度与长期可靠性与对流再流焊工艺或手工焊接无明显差别，能满足IPC-A-610标准的要求。
  对不同的无铅合金组分SnAgCu, SnAgBiCu, SnCu, SnPbAg及PbSn共晶合金的可靠性试验结过比较，测试样板选用各种类型的器件及连接器进行组装焊接, 在高低温温度-55oC +125oC区间,持留时间40分种,2200周次循环测试,被测样板无发现电性能缺陷。
通孔插件采用再流焊或波峰焊不同工艺都会产生焊点剥离问题,除了合金组分(无铅合金与PbSn共晶合金相比)对焊点剥离存在明显影响外,两种焊接工艺的冷却速度也会对焊点剥离产生影响。在电子组装实施无铅化的过程,不可避免地使用无铅合金焊接PbSn镀层的器件引脚或印制板焊盘,由此带来的铅污染也更扩大无铅合金在凝固阶段,焊焊凝固的温度梯度,再加上印制板的垂直方向的热胀冷缩,以及多层印制板内层基材的热量经铜导带传导到通孔壁与焊盘更增加了焊接部位的温度梯度,这些因素都是导致在无铅焊接过程中,焊点剥离缺陷问题明显增多的原因。
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