軍工企業無鉛器件焊接可靠性淺析

摘要:無鉛技術已經成為電子行業的首選，但是由于其發展時間相對較短，可靠性仍需驗證。軍工企業出于可靠性的考慮，仍舊采用有鉛焊接技術，但是在實際生產過程中卻不可避免的越來越多的遇到無鉛器件，本文介紹無鉛物料的管理和有鉛工藝與無鉛器件混用的相應預防和解決方案。

關鍵詞:無鉛器件;鍍層;可靠性;焊接

引言

由于鉛對人體危害嚴重，無鉛技術已經成為電子行業的首選，無鉛器件慢慢被普及，同時無鉛焊接技術也已在全球推廣。但由于其發展時間相對較短，可靠性尚未得到驗證。軍工企業出于可靠性的考慮，仍舊采用有鉛焊接技術，但軍工單位從國外采購的元器件，大都已采用無鉛鍍層，于是出現了軍工單位仍采用有鉛工藝、設備及標準進行有鉛、無鉛器件混裝的情況，導致了某些型號的產品重復出現焊接質量問題。學習國內外先進的焊接工藝方法和經驗，合理選擇焊料、印制板涂層/鍍層，摸索適合本單位生產的工藝方法，避免無鉛物料(包括無鉛元器件、PCB等)與有鉛工藝混用帶來的問題，保證產品質量，是目前軍工企業研究的重點。

1 無鉛元器件

1.1 無鉛元器件引腳類型及其焊接特性

器件鍍層廣泛的用于焊接工業，在不影響焊料的組成和微結構的情況下，能提高浸潤性能。通常器件在焊接前，經過電鍍或浸可焊的鍍層到引腳上。無鉛焊料引腳的鍍層包括: Ni/Pd，Ni/Au，Ag/Pt，Ag/Pd，Pt/Pd/Ag，Ni/Au/Cu，Sn，Pd，Ag，Au。

1.1.1Sn基可焊鍍層

在大多數情況下，鍍錫是為了省錢和提高焊接的可靠性，而不是出于環境問題的考慮。

純Sn鍍層，可焊性好，與其他無鉛焊料兼容性也好，主要的問題是“錫須”(Tin whisker)問題，一般不建議在引腳間距小于0.65mm的器件上使用。

Sn-Cu合金鍍層，成本低，兼容性好，但Cu含量變化會導致液相線溫度急劇變化，穩定性欠佳。

Sn-Bi合金鍍層，雙面板在焊接第二面時容易發生焊點剝離現象，同時本身的韌性差，易在引線框架成形中產生鍍層開裂。

1.1.2 無Sn可焊鍍層

無Sn鍍層有以下類型:

a.Au鍍層:用于軍工和航天領域。由于金在器件上的鍍層一般都比較薄，以及金在無鉛焊料中的溶解度比共晶SnPb焊料高，所以與共晶SnPb焊料相比，無鉛焊料更不易發生金脆等的可靠性問題(即在界面形成脆性的AuSn;而導致焊點斷裂)。

b.Pd-Ni合金鍍層;

c.Ni-Pd合金鍍層;

d.Ag-Pd合金鍍層;

e.Ni-Au合金鍍層;

f.Ag-Pt合金鍍層;

g.Ag鍍層，在焊料中容易擴散;

h.Pd鍍層，可焊性較差。

2 軍工單位器件焊接現狀

2.1 軍工單位使用的焊料狀況

軍工單位基本上采用Sn63/Pb37共晶鉛錫合金作為焊接材料，已有悠久的歷史。鉛錫合金作為焊料其焊點的質量和可靠性，較容易得到保證，到目前為止，沒有任何一種無鉛焊料的綜合性能超過這種焊料。

錫鉛合金焊料具有以下優點:

①金屬錫和其他許多金屬之間有良好的親和力，借助于低活性的焊劑就可以達到良好的潤濕。

②錫鉛元素在元素周期表中排列均是一類主族元素，排列很近，它們之間互熔性良好，并且合金本身不存在金屬間化合物。此外，錫鉛焊料性能穩定，特別是金屬錫在焊點表面能生成一層極薄而致密的氧化亞錫(SnO2)，它具有良好的抗蝕性，對焊點有保護作用。

③錫鉛焊料有較好的機械性能，通常純凈的錫和鉛的抗拉強度分別為15MPa和14MPa，而錫鉛合金的抗拉強度可達40MPa左右;同時剪切強度也有明顯增加，錫和鉛的剪切強度分別為20MPa和14MPa，錫鉛合金的剪切強度則可達30-35MPa。焊接后，因生成極薄的合金層，故強度還會提高很多。

④錫鉛合金的熔點低(183℃-189℃)，并且從焊接溫度降到凝固點，其時間非常短，完全符合焊接工藝的要求。

⑤作為焊料的錫鉛金屬礦在地球上資源非常豐富，比其他用做焊料的金屬的儲量要大得多，價格也比其他金屬要低得多。

2.2 軍工單位的焊料工藝狀況

目前軍工單位一般采用的元器件焊接方式有手工焊接、波峰焊接和回流焊等。

2.2.1 手工焊接

手工焊接是焊接技術的基礎。它適合于產品試制、電子產品的小批量生產、電子產品的調試與維修以及某些不適合自動焊接的場合。

工具及材料一般配備25-45W、60-100W的兩種烙鐵，必須能夠控溫。由于焊盤越來越小，很容易受熱剝離。因此對片式阻容元器件、QFP一般用 25-45W的烙鐵進行焊接。

2.2.2 波峰焊接

波峰焊接是利用波峰焊接機內的機械系成電磁泵，將熔融焊料壓向波峰噴嘴，形成一股平穩的焊料波峰，并源源不斷地從噴嘴中溢出。裝有元器件的印制電路板以直線平面運動的方式通過焊料波，完成焊接。波峰焊接機通常由波峰發生器、印制電路板夾送系統、焊劑噴涂系統、印制電路極預熱和電氣控制系統各部分組成。其中波峰發生器是產生波峰的動力源。

2.2.3 再流焊接

再流焊(亦稱回流焊)是預先在PCB焊接部位(焊盤)施放適量和適當形式的焊料，然后貼放表面組裝元器件，經固化(在采用焊膏時)后，再利用外部熱源使焊料再次流動達到焊接目的一種成組或逐點焊接工藝。再流焊接技術能完全滿足各類表面組裝元器件對焊接的要求，因為它能根據不同的加熱方法使焊料再流，實現可靠的焊接連接。

3 有鉛工藝焊接無鉛元器件存在的可靠性問題

有鉛工藝遇到無鉛元器件，需要提高焊接溫度，因此存在高溫可能損壞元器件、損壞PCB，焊料合金與元器件焊端或引腳鍍層不相容、工藝不相容等問題。例如:

a.高溫可能損壞元器件封裝體及內部連接;

b.高溫可能損壞PCB(PCB材料及涂鍍層與無鉛工藝不相容);

c.高溫對潮濕敏感元器件MSD(Moisture SensitiveDevice)的不利影響;

d.有鉛焊料與無鉛元器件焊端或引腳鍍層不相容;

e.有鉛焊料與PBGA，CSP焊球合金不相容;

f.各種焊接工藝之間的不相容性;

在同一塊印制板上可能要經過雙面回流焊;或一面回流焊接另一面波峰焊接;或同一面要經受2次回流焊接;或同一面要經受1次回流焊接和一次波峰焊接;或在同一塊印制板上要經過回流、波峰、手工焊、返修等工藝。因此同一塊印制板上可能會用到多種合金和助焊劑。如果每一種工藝的合金使用不當，可能會發生二次熔錫問題。例如回流焊與波峰焊混合工藝，如果采用了有鉛和無鉛兩種焊料，那么可能發生二次熔錫;甚至即使雙面都采用SAC焊料。如果波峰焊溫度過高也容易發生二次熔錫問題。

g.各種助焊劑之間的不相容性。

在同一塊組裝板上不同的工藝，如果采用多種助焊劑，可能會發生多種助焊劑之間的不相容性。回流焊、波峰焊、返修形成的助焊劑殘留物，在潮濕環境和一定電壓下，導電體之間可能會發生電化學反應，引起表面絕緣電阻(SIR)的下降，造成電遷移(俗稱“涌電”)的風險。

h.有鉛元器件、鍍Sn-37Pb的印制板與無鉛波峰焊工藝不相容;無鉛波峰焊不能使用有鉛元器件和鍍Sn-37Pb的印制板，否則會造成Pb污染。

綜上，用有鉛焊料焊接無鉛元器件焊接，與無鉛工藝之間存在“溫度”的問題，如果焊接溫度不足，焊接界面不能生成金屬間合金層，就會造成連接可靠性問題;如果焊接溫度過高，除了由于金屬間化合物層過厚而使焊點變脆外，還可能造成損壞元器件和印制板;同時有鉛和無鉛混用時除了以上“溫度”帶來的問題外，還可能發生焊料合金與焊端或引腳鍍層、元器件與工藝不相容等情況。如果控制不當都可能會發生嚴重的可靠性問題。

軍工單位在選擇元器件時，在有鉛的工藝條件下，為保證產品的可靠性，要盡量選擇有鉛元器件。如果無法避免必須使用無鉛器件時，選擇焊端鍍Sn的無鉛器件，因為Sn與Sn-Pb焊料在焊接時是兼容的，使用時問題不大，至于鍍Sn焊端的錫須問題，可以通過對PCB的“涂覆”工藝(俗稱“三防”工藝)來解決;對于選擇無鉛的PBGA，CSP器件，也可以將無鉛焊球去除，重新植Sn-Pb焊球;但是，使用時一定要慎重，建議要對“無鉛器件逆向轉換為含鉛器件”的工藝及其可靠性與可行性進行研究后使用，確保“轉換”后的可靠性。

4 無鉛元器件焊接的注意事項及相應措施

4.1 手工焊接無鉛元器件

對無鉛元器件，要采用具有快速補溫功能、長壽命烙鐵z頭、高動態控溫精度的烙鐵，它必須具備在3-4s內焊點快速達到焊接溫度，并且滿足在拉焊時溫度波動比較小的要求(用普通烙鐵焊接時，溫度下降可達30℃以上)。如圖1所示為一個烙鐵工作時的相關溫度曲線圖，從圖中可以看到焊接時，烙鐵的熱源溫度曲線、烙鐵頭的溫度曲線，焊點的溫度曲線是不一樣的。

4.2 波峰焊接無鉛元器件

一般情況下，有鉛波峰焊工藝可以用來焊接無鉛元器件和無鉛印制板，因為無鉛元器件引腳鍍層和無鉛印制板焊盤表面鍍層主要是Sn。有鉛波峰焊焊接無鉛元器件要考慮無鉛鍍層對焊料的污染問題;另外，與再流焊工藝一樣，要警惕鍍Sn-Bi元器件在有鉛工藝中的應用。但是，無鉛波峰焊不能用于焊接有鉛元器件和鍍Sn-37Pb的印制板，必須預防和控制Pb污染。

4.3 再流焊接無鉛元器件

4.3.1 有鉛焊料與無鉛元器件混用

有鉛焊料與無鉛元器件混用時，一般情況下沒有太大問題，因為無鉛元器件引腳和焊端鍍層非常薄，只有幾微米厚，以應用最多的鍍Sn焊端為例，鍍Sn層厚度在3～7μm。Sn的熔點為232℃，與Sn-37Pb合金焊接時，Sn-37Pb合金在183℃開始熔化，大約在225℃時能夠使微量的鍍Sn層熔化，一般情況下峰值溫度比焊接有鉛元器件提高5℃左右即可。需要注意的是鍍Sn-Bi元器件只能應用在無鉛焊接工藝中，不能用到有鉛焊接工藝中。因為有鉛焊料中的Pb與Sn-Bi鍍層在引腳或焊端界面形成熔點93℃的Sn-Pb-Bi三元共晶低熔點層、容易引起焊接界面剝離、空洞等問題，導致焊接強度降低。

4.3.2 有鉛焊料與無鉛PBGA，CSP器件的混用

有鉛焊料與無鉛PBGA，CSP器件混用時，將有鉛焊料的溫度曲線(圖2)，對比無鉛焊接的再流焊曲線(圖3)，可以知道這樣的焊點連接可靠性可能是最差的。因為有鉛焊料與無鉛焊球的熔點不相同，有鉛焊料熔點低先熔，而無鉛焊球此時還不能完全熔化，容易造成PBGA，CSP一側焊點失效。圖4是有鉛焊料與無鉛焊球混用示意圖，由圖可以知道，無鉛PBGA，CSP的焊球一般是Sn-Ag-Cu合金，其熔點大約是217℃，Sn-37Pb焊料的熔點大約是183℃，假如將Sn-37Pb有鉛焊料與無鉛PBGA，CSP混用，如果采用Sn-37Pb焊料的溫度曲線，一般峰值溫度在210-230℃，假設一個PBGA的峰值溫度為220℃，再流焊時，當溫度上升到183℃時印在焊盤上的Sn-37Pb焊膏開始熔化，此時無鉛PBGA的Sn-Ag-Cu焊球還沒有熔化;當溫度上升到220℃時，按照有鉛工藝應該開始降溫、結束焊接，但此時無鉛焊球剛剛熔化，雖然Sn-Ag-Cu合金標稱的熔點為217℃，但實際上，Sn-Ag-Cu合金并不是真正的共晶合金，固相線與液相線的溫度范圍是216～220℃，因此，有鉛工藝冷卻凝固結束焊接的溫度恰好是無鉛Sn-Ag-Cu焊球剛剛熔化的溫度，并處于固、液相共存的漿糊狀態，焊球熔化時，由于器件重力的作用焊球開始下沉，在器件下沉過程中稍有震動或PCB微量變形，都會使PBGA，CSP器件一側原來的焊接界面結構被破壞，又不能形成新的界面金屬間合金層，最終造成PBGA，CSP一側焊點失效，如圖5所示。因此，采用有鉛再流焊工藝焊接無鉛PBGA、CSP的質量非常差，需要通過提高焊接溫度的方法使器件一側的焊球實現二次回流或者采用多溫區的再流焊機使器件一側的焊球合金充分熔化，在焊球與器件的焊盤之間生成新的金屬間化合物，形成電氣與機械的良好連接;同時要注意其它有鉛元器件能否承受此高溫。

5 無鉛物料管理的注意事項

無鉛物料使用的工藝方法和工藝條件非常復雜，不同廠家的無鉛元器件焊端鍍層也不盡相同，采用的制作工藝也很多，在軍工產品基本采用有鉛焊接工藝的現狀下，加強無鉛元器件、物料的管理，建立一套完整且行之有效的無鉛物料管理制度與措施，從源頭上防止有鉛焊接工藝與無鉛器件的混用對保證焊接可靠性至關重要。

a.在條件許可的情況下，應設置內部專用的存放區域，對無鉛元器件、物料制作明確的標識，以便與有鉛元器件加以區分。

b.對物料從供應商的認證、供方的生產質量、物流、存儲及包裝等環節進行全面控制。對元器件的工藝質量，包括引腳或焊端的可焊性、器件的耐熱性及管腳的共面性等進行審核。

c.要注意對整條生產線人員進行相關知識培訓。選用和采購符合現場工藝條件要求的元器件，無法避免必須采購及使用無鉛元器件時，應在單位的BOM表上注明其焊端表面鍍層材料、耐溫、潮敏度等級等信息。

6 結論

本文介紹了軍工企業有鉛焊接技術遇到無鉛器件時需要注意的問題和相應的解決措施，但是無鉛器件與有鉛焊料焊接的可靠性仍需實踐和時間的檢驗，理論需要進一步完善。

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