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無鉛合金的可焊性測試

【來源:EM asia china網(wǎng)】【編輯:Graham Naisbit】【時間: 2006-10-26 9:00:30】【點擊: 1491】

摘要：基于環(huán)境考慮，禁止焊料含鉛是值得稱贊的，然而無鉛切換卻帶來了產(chǎn)品可靠性上的隱患。業(yè)界廣泛成熟應(yīng)用的、適于錫鉛焊點的定性評估方法已經(jīng)不再有效，需要有新的測試方法評估鍍層的可焊性。

實現(xiàn)電子產(chǎn)品的無鉛化是一個好想法，但切換到無鉛工藝確對電子組裝過程有很大的影響，特別是對高可靠性產(chǎn)品。在過去的幾十年里，業(yè)界對錫鉛焊點進行了廣泛深入的研究，同時，安全性或生命依賴性產(chǎn)品的制造商對產(chǎn)品的可靠性有足夠的保證和信心。

而無鉛替代品卻不是這樣，雖然業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)組織，如IPC和IEC（國際電工委員會），都投入了大量人力，致力于研究它們所推薦的無鉛合金的焊點特性，并推出了相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)以確保它們的可靠性（參考工具條“電子產(chǎn)品的無鉛切換”），但目前所做的工作還遠遠不夠。

另外，諸如航空系統(tǒng)等高可靠性產(chǎn)品期望的壽命高達25年，這就意味著在它們的運行壽命期間內(nèi)很可能需要進行維修；使用錫鉛焊料進行返修后，產(chǎn)品的可靠性已經(jīng)得到證實，但無鉛合金的返修可靠性等問題目前尚不清楚。

如果消費者認識到無鉛可靠性尚有許多爭議，尤其是認識到他們的生命依賴于無鉛電子產(chǎn)品（如在飛機上的乘客，裝備安全氣囊的汽車里的乘客）時，他們會對快速切換到無鉛感到不安的。所以，對無鉛焊點進行充分深入的研究，就

變得非常迫切和重要。

幸運的是，高可靠性產(chǎn)品的制造商一直采取負責(zé)任的態(tài)度和方法以確保他們產(chǎn)品的完整性?？煽啃匀Q于很多要素，包括好的設(shè)計、高質(zhì)量的元器件和PCB，這些組件要能承受沖擊、振動和熱循環(huán)。但是，焊點一直被認為是薄弱環(huán)節(jié)，同時無鉛焊料的引入并不能減少這一風(fēng)險。

為了降低產(chǎn)品失效率，制造商會例行檢測元器件和PCB焊盤的可焊性。沒有好的可焊性（測量熔融焊料潤濕元器件引腳和PCB焊盤的程度，用以表述表面鍍層的堅固性），形成可靠焊點的可能性將會大大降低。那些可焊性差的待焊部位可能仍可以形成焊點，甚至通過最終的功能測試，但應(yīng)力、熱或振動會導(dǎo)致焊點失效的可能性較高，這對于要求高可靠性的應(yīng)用是不可接受的。

切換到無鉛焊接后，由于其工藝窗口較窄，使得諸如“dip－and－look”（浸錫法）等傳統(tǒng)可焊性測試的方法的效力降低。浸錫法是將待測元器件浸入熔融焊料中，觀察焊料在引腳上的爬錫高度，以測量元器件的可焊性的一種方法。

IPC和IEC對各種合金、助焊劑和元器件進行了大量試驗，發(fā)現(xiàn)浸錫法缺乏測量上的可重復(fù)性與再現(xiàn)性（簡稱Gauge R&R），無法確保目前尚未研究透徹的無鉛焊料具有與錫鉛焊料一致的可靠性。

可焊性測試的重要性

為了實現(xiàn)焊接，元器件供應(yīng)商和PCB制造商會在元器件焊端和印制板焊盤上進行表面鍍層處理，表面處理方式主要有以下幾種：有機可焊性保護涂層（OSP）、化學(xué)錫、化學(xué)銀、化學(xué)鎳金和電鍍或熱風(fēng)整平等。

這些鍍層的作用之一是在組裝前保護焊端和焊盤，另一個作用是在回流焊或波峰焊時實現(xiàn)表面的潤濕。PCB表面處理要滿足諸如IPC-4552、IPC-4553和IPC-4554等標(biāo)準(zhǔn)，而元器件焊端鍍層都沒有標(biāo)準(zhǔn)。雖然每種表面鍍層都有自己特點，但業(yè)界普遍認為，焊料是焊膏焊接所用的最好的表面鍍層。

不幸的是，所有表面鍍層都會發(fā)生某種程度的退化，同時，退化受存儲條件和存儲時間等因素的影響。如英國著名的國家物理實驗室（NPL），對“可焊性老化”和退化機理進行了廣泛的研究。

NPL提供的圖1表明，錫鉛鍍層由基板焊盤上的三層材料結(jié)構(gòu)組成：外面一層是氧化層，在焊接前它必須被助焊劑化解，否則焊料潤濕能力會弱化；第二層是可焊鍍層，它保證了良好的潤濕；最下面一層是基板上的銅和可焊鍍層中的錫共同反應(yīng)生成的金屬間化合物（IMC）。如果可焊鍍層太薄或具多孔性，錫就會全部被氧化，讓氧氣到達金屬間化合物層，一旦金屬間化合物層被氧化，焊料就無法潤濕鍍層。

簡而言之，導(dǎo)致可焊性退化的機理在于氧化層和金屬間化合物層的厚度，其增長速度受到諸如濕度、溫度和時間等存儲因素的影響。圖2表示了氧化層和金屬間化合物層隨著時間的增長對可焊性的影響，從圖中可以看出，可焊性隨著鍍層老化而不斷下降。階段一和階段二代表鍍層可實現(xiàn)焊接，階段三表示鍍層無法實現(xiàn)焊接。注意：圖中底部表明了在不同階段焊縫幾何形狀的變化。

測量可焊性，而不是焊接能力

有經(jīng)驗的制造工藝工程師非常清楚這一失效機理，并采取例行的措施，判斷元器件和PCB在組裝前的可焊性是否滿足要求。然而，IPC和IEC進行大量的測試試驗表明：切換到無鉛焊料后，人們?nèi)粘Ｊ褂玫臏y試方法可能無法保證焊點及產(chǎn)品的長期可靠性。更為糟糕的是，業(yè)界普遍不清楚到底是在測量什么特性。

在這里，主要的問題在于人們通常不能明顯區(qū)分可焊性（熔融焊料對鍍層的潤濕程度）和焊接能力（用于評價特定的助焊劑和焊料一起確保元器件焊接到PCB上的能力），它們并不是一回事。

需要注意的是：那些可焊性“不可接受”（根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）的元器件，通常采用“合適”的助焊劑和焊料工藝調(diào)制仍然可以實現(xiàn)焊接。例如，對于可焊性較差的元器件，人們可以通過增加助焊劑噴涂量，從而提高組件的焊接能力。然而，此方法對無鉛焊料可能無效，原因有二：一是無鉛焊接的工藝窗口很窄，制造工藝的可變化范圍很?。ㄕ{(diào)制會增加焊點不良的可能性）；二是增加助焊劑會對單板清潔度造成有害影響（尤其是采用免清洗工藝）。

圖3（a）和（b）說明了第二點原因（來源：NPL），它們表明，隨著助焊劑噴涂量的提高，在標(biāo)準(zhǔn)測試試驗板上測得的表面絕緣電阻（SIR）下降。由于助焊劑中揮發(fā)性組分揮發(fā)后，助焊劑殘留物在單板上形成導(dǎo)電區(qū)域，所以相應(yīng)的圖中曲線產(chǎn)生了下降，這些導(dǎo)電區(qū)域會導(dǎo)致單板的中長期失效。

為確保無鉛焊接產(chǎn)品的焊點實現(xiàn)高可靠性，IPC和IEC的研究證明：最重要的因素在于“可接受的”可焊性，這樣既可保持窄窗口的工藝控制，同時又可減少潛在的會導(dǎo)致失效的污染。

在IPC J-STD-002C和J-STD-003B標(biāo)準(zhǔn)中有這樣的論述：“可焊性評估的目的是驗證元器件引腳或焊端的可焊性是否滿足規(guī)定的要求，和判斷存儲對器件焊接到單板上的能力是否產(chǎn)生了不良影響。”

同時，IPC J-STD-002和J-STD-003的主席DaveHillman說：“制訂J-STD-002和J-STD-003可焊性測試標(biāo)準(zhǔn)的目的，是為了測試鍍層可潤濕能力的堅固性，很多人將這些標(biāo)準(zhǔn)用作或認為是模擬實際生產(chǎn)情況，但實際上并非如此；因為那是‘焊接能力’而不是‘可焊性’”。

“雖然IPC委員會曾經(jīng)試圖制定反映焊接能力方面的標(biāo)準(zhǔn)，但要制定模擬實際生產(chǎn)情況的測試方法事實上是不可能或不現(xiàn)實的，業(yè)界有太多的助焊劑/工藝條件組合，所以標(biāo)準(zhǔn)會變得沒有意義；或者說，這樣的標(biāo)準(zhǔn)會非常龐大并且包含了太多的變量”。

“標(biāo)準(zhǔn)中的測試參數(shù)在表征鍍層可焊性方面需要有一定的安全裕度，一種可能導(dǎo)致假陽性或假陰性結(jié)果的測試方法對業(yè)界是沒有價值的。”。

換句話說，用組裝業(yè)者常規(guī)的元器件/助焊劑/焊料組合測試元器件，進行表面鍍層的可焊性評估不符合任何標(biāo)準(zhǔn)，而且在無鉛焊接工藝中，可能也無法保證這種結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性。

如果你的工藝、助焊劑和焊料控制穩(wěn)定，焊接能力測試確實可用來進行鍍層質(zhì)量檢驗，但這一方法不夠科學(xué)且不可控，因此不足以作為可焊性測試的標(biāo)桿標(biāo)準(zhǔn)。

選擇正確的測試方法

那么，對于無鉛組裝工藝，如何確保你是在測量可焊性而不是焊接能力呢？

為了回答這一問題，IPC委員會認為應(yīng)采取“循環(huán)法(round-robin)”試驗程序研究無鉛合金和助焊劑的特性。循環(huán)法測試主要考察：

1. 合金；

2. 表面鍍層；

3. 溫度；

4. 助焊劑；

5. 測量方法的可重復(fù)性與再現(xiàn)性（Gauge R&R）。

這些需盡快發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)也正式地澄清了可焊性和焊接能力之間區(qū)別，它們定義了可焊性測試的過程：指定了測試儀器、如何進行測試以及所用的材料等，以確保良好的GaugeR&R。

例如，對于精確可焊性測試，標(biāo)準(zhǔn)推薦測試用的助焊劑需小心保存，在測試過程中要避免受污染（參見IPC J-STD-002C 3.2.2.1和3.5.2部分），要求包括了助焊劑不用時要蓋上、八小時后要報廢，保持助焊劑的比重在0.845±0.005(25±2℃)、使用一星期后要報廢等。

此外，每隔30個工作日，可焊性測試所用的錫爐中的焊料也要進行化學(xué)或光譜分析，或直接更換，以符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的污染限度，這包括保持無鉛焊料成分、控制雜質(zhì)含量、調(diào)整合金所要求的銀和銅元素的比例等。

很容易看出，這不是一套日常生產(chǎn)中使用的助焊劑和焊料的檢測體系。

但檢測方法本身有什么問題呢？是否可以把應(yīng)用了十多年的浸錫法作為可接受的解決方案寫入J-STD-002和003標(biāo)準(zhǔn)中呢？

使用浸錫法，技術(shù)人員將元器件樣品浸入熔融焊料爐并觀察焊料在鍍層上的爬錫情況，根據(jù)經(jīng)驗，能定性評估鍍層的焊料潤濕情況，從而得出可焊性結(jié)論，這種方法具有快捷、方便和便宜等特點。

然而，浸錫法存在的主要問題是：作為一種測試方法，它的Gauge R&R差。換句話說，即使測試所用材料按照新標(biāo)準(zhǔn)的要求嚴格受控，兩個人在不同時間進行同一測試可能會得出不同的結(jié)論。如果一個人說元器件或單板可焊性很好，而另一個人說可焊性差，測試結(jié)果取決于時間和地點，那無鉛組裝質(zhì)量控制的基礎(chǔ)何在？！

IPC稱：“相信浸錫法具有相當(dāng)好的Gauge R&R的用戶將感到極度震驚。”為了支持這一定論，IPC稱：“IPC委員會也一致認為，如果Gauge R&R沒有經(jīng)過證實或得到行業(yè)認可，將不把任何新的可焊性測試方法引入標(biāo)準(zhǔn)。”

雖然IPC的這一建議未包括在IEC標(biāo)準(zhǔn)中，但IEC委員會同意著手在兩年內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)進行修訂，而不是常規(guī)的五年，到時候，具有可接受的Gauge R&R的可焊性測試方法將寫入標(biāo)準(zhǔn)，這可以理解為敲響了浸錫法的“喪鐘”。

推薦的潤濕力測量方法

那么推薦的方法是什么呢？根據(jù)IEC意見:“我們(IEC)推薦潤濕平衡力測量和焊料球測試，而我們正嘗試調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)文件，保證其所規(guī)定的方法具有可接受的Gauge R&R。”

使用潤濕平衡力的可焊性測量方法具有極高的精度（最小單位可達毫牛頓），一些電子儀器甚至可以測量精度超過1um/Bit。雖然通孔插件（PTH）和表面貼裝（SM）元器件的潤濕平衡類型不同，但兩者的物理原理相同。

換句話說，如果金屬本體浸入熔融焊料，在本體已沉浸表面上的爬錫的重量和速度說明了焊料潤濕鍍層的程度及可焊性的好壞，可焊性越好，爬錫越高，這可以通過測量作用在懸掛樣本的垂直力的變化進行評價（圖4圖示了整個測試過程）。

對于特定的通孔插裝元件和電路板樣件，可將測試樣件浸入熔融焊料槽中，測量得到樣件的浮力和作用在鍍層上的表面張力。對于較小的表貼元器件，需要的測量精度更高，微潤濕平衡過程（如圖5）使用的是焊料球，在該方法中，焊料槽被焊料球代替，焊料球的大小有4、3 . 2、2和1mm，相應(yīng)的焊料球的質(zhì)量有200、100、25和5毫克，這樣就可以對多引腳元器件的單個引腳進行測試。

變革時代的到來

無鉛組裝不同于應(yīng)用了幾十年的，已經(jīng)非常成熟的錫鉛焊料組裝工藝。在經(jīng)過3萬次單獨測試的廣泛研究后，IPC和IEC都確定：傳統(tǒng)的測試方法和工藝調(diào)整措施不足以確定無鉛焊點的可靠性。

今年年底前，IPC和IEC都會推出新的可焊性測試方法，并澄清可焊性和焊接能力的區(qū)別。這似乎意味著如果制造業(yè)者要保證產(chǎn)品的高可靠性，那就必須進行這樣的可焊性測試。

此外，這些標(biāo)準(zhǔn)認定，可焊性測試應(yīng)該用潤濕平衡法，而不是浸錫法。潤濕平衡法能定量測量表面鍍層的堅固性，同時具有可接受的Gauge R&R，而浸錫法會受到主觀因素或人為判斷的影響。

作者簡介:

Graham Naisbit是 Gen3 Systems有限公司（前身是Concoat Systems）的常務(wù)董事，IEC TC91 WG3（組裝業(yè)界測試標(biāo)準(zhǔn)工作組）成員，他也是IEC60068-2-69可焊性測試標(biāo)準(zhǔn)的主席，IEC 60068-2-54可焊性測試標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)席主席，IPC-J-STD 002和IPC-J-STD 003標(biāo)準(zhǔn)組成員。

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