陜西長嶺電子科技有限責任公司 李 強

1 問題來由

隨著環(huán)保法規(guī)的實施，含鉛的有害電子制造工藝已被廢棄使用，電子組裝領域向綠色無鉛方向發(fā)展。由于軍工行業(yè)的特殊性，無鉛器件和有鉛器件混合組裝的階段將長期存在。在此，針對其組裝特性及可靠性進行技術分析及試驗數(shù)據(jù)的探討。

2 無鉛器件焊接工藝技術分析

2.1 過渡階段有鉛、無鉛混焊工藝技術特點和方法

過渡階段無鉛、有鉛混焊存在兩種模式。一種是采用無鉛工藝制程，一種是采用有鉛工藝制程。

2.1.1 無鉛工藝制程工藝特點及要求

采用無鉛工藝制程對于有鉛器件來說主要存在對高溫的耐受能力和有鉛器件焊端的有鉛鍍層和無鉛焊料合金的相容性。無鉛焊料與有鉛元件混焊時，是按照無鉛焊接的溫度曲線進行再流焊的，而有鉛元件和有鉛印制板的耐熱性能是按照有鉛焊接溫度制訂的，因此，要控制焊接峰值溫度范圍及峰值溫度時間，減少有鉛元件和PCB板所受的高溫沖擊。

無鉛焊料與有鉛PBGA、CSP混焊時，有鉛PBGA、CSP的焊球一般是Sn-37Pb合金，與無鉛Sn-Ag-Cu焊膏焊接后，焊點中的Pb含量較多，是不符合無鉛組裝要求的。無鉛焊料與有鉛焊球混焊時，是按照無鉛焊料合金的熔點進行焊接的，一般峰值溫度在235℃～245℃，當溫度上升到183℃時，Sn-37Pb焊球就開始熔化；當溫度上升到200℃時，熔融的Sn-37Pb合金液體的粘度很小，流動性已經(jīng)很好了，但是，此時在焊盤上無鉛焊膏中的Sn-Ag-Cu合金還沒有熔化，會被熔融的Sn-37Pb合金液體完全覆蓋??；當溫度上升到217℃以上時，Sn-Ag-C u 焊料合金才開始熔化，助焊劑活化、分解、與氧化銅反應、焊接界面反應產(chǎn)生的氣體被厚厚的Sn-37Pb合金液體覆蓋住，氣體排不出去，造成空洞。按照IPC-A-610D規(guī)定，只要X射線影像區(qū)內(nèi)任何焊料球的空洞等于或小于25%，則認為是可接受的；所以在設置溫度曲線時，需要緩慢升溫，縮短有鉛B G A 到無鉛焊料的熔化時間（即183℃～217℃的升溫時間），使無鉛合金與Sn-37Pb焊球盡量在較短的時間內(nèi)一起熔化，以便減少空洞的形成。

因為軍工行業(yè)對于有鉛器件的使用具有豁免權，無鉛元器件的使用只是很少一部分，從可靠性角度出發(fā)，在元器件選用上優(yōu)先選用有鉛器件。采用無鉛制程下的無鉛、有鉛混焊研究意義不大，優(yōu)先考慮有鉛制程下的混焊工藝。

2.1.2 有鉛工藝制程工藝特點及要求

有鉛焊料與無鉛元件（無引線或有引腳元件）混焊時，基本上沒有問題。 但有鉛焊料與無鉛PBGA 、CSP 混焊時，如果采用有鉛焊料的溫度曲線，焊點連接可靠性是最差的，這是由于有鉛焊料與無鉛焊球的熔點不相同，有鉛焊料熔點低會先熔，而無鉛焊球不能完全熔化，焊接界面不能形成新的界面金屬間合金層，容易造成焊點失效。所以，有鉛焊料與無鉛焊球混焊時，采用有鉛焊接工藝的質(zhì)量不能滿足焊接要求。針對這種情況，為兼容無鉛焊球的焊接溫度需提高焊接的峰值溫度，峰值溫度的確定以使 BGA無鉛焊球與有鉛焊膏達到完全混合，形成統(tǒng)一均勻的金屬間化合物（IMC）是保證混合焊點可靠性的關鍵。如果用無鉛再流溫度曲線，雖然 SnPb 焊膏與無鉛元器件能很好混合，但對PCB板和其它SnPb元器件這個溫度顯得太高，應考慮有鉛器件的耐溫程度。這樣SnPb 焊膏與 SAC焊球混合的程度取決于再流峰值溫度和液相線以上的時間。對于無鉛、有鉛混焊關鍵問題是設置PCB組件的再流溫度曲線，其難度在于匹配兩種焊料合金不同溫度特性，焊接工藝窗口窄，難度較大。

2.1.3 無鉛器件逆向轉(zhuǎn)換為有鉛器件焊接的工藝特點

對于無引線或有引腳元件的無鉛器件，由于其無鉛鍍層非常薄，進行焊接時只需將焊接峰值溫度提高基本上沒有問題。但是對于焊端鍍層含有Bi的元件只能用到無鉛工藝中，不能用到有鉛工藝中，也不能進行逆向轉(zhuǎn)換。

對于無鉛BGA、CSP器件將無鉛錫球除去，重新置換錫鉛錫球，進行無鉛到有鉛的逆向轉(zhuǎn)換。但是這種工藝在錫球置換過程中易對元件內(nèi)部的焊點產(chǎn)生二次熔融，對元器件的可靠性產(chǎn)生影響。目前對于無鉛BGA、CSP器件的混焊一部分廠家采用有鉛制程下的直接混裝工藝，一部分廠家采用錫球置換的方法。從有關調(diào)研資料和行業(yè)累積經(jīng)驗來看基本傾向于有鉛制程下的直接混裝工藝。錫球置換工藝基本上用于返修、返工工作。

2.2 無鉛焊接工藝技術特點

無鉛焊接工藝即是將印制板、元器件、焊料均實現(xiàn)無鉛化而進行焊接組裝的工藝方式。無鉛焊料是“高錫”焊料。高錫帶來的問題是：高溫、表面張力大、粘度大、浸潤性差、工藝窗口小。表面張力的增加勢必會使氣體在冷卻階段的外逸更困難，氣體不容易排出來，使空洞的比例增加。高溫將使焊接面金屬間化合物厚度進一步增厚，使焊點變脆產(chǎn)生開裂，影響焊點可靠性。另外高錫焊料產(chǎn)生錫晶須問題也需采取相應的防護措施來抑制。

3 混焊工藝技術難度分析

通過對無鉛元器件焊接工藝的技術特點的分析，在無鉛、有鉛器件混焊工藝適合采取有鉛工藝制程。有鉛制程下的混焊采用了有鉛焊料焊接無鉛焊球，需要合理控制無鉛焊球液相線溫度以上的時間，控制IMC厚度。這種異材之間焊接的金屬間化合物IMC的厚度需要通過不斷的試驗和優(yōu)化來達到一個合理水平。

由于無鉛工藝尚缺乏相關標準。在方案試驗階段檢測要求可按業(yè)內(nèi)無鉛工藝經(jīng)驗和焊接質(zhì)量檢測標準要求進行。目視檢測遵循無鉛焊點的典型合格特征；X射線影像檢測遵循IPC-A-610E中8.3.12.4標準要求；對于錫鉛焊料合金和無鉛錫球組合而成的焊點進行金相切片分析（IPC-TM-650 2.1.1）、染色試驗（IPC-TM-650 2.1.2）、掃描電鏡檢測IMC厚度（GB/T 16594）、溫度沖擊試驗、隨機振動（ANSI/EIA-364-28D）、能譜分析（GB/T 17359-1998）等可靠性檢測試驗，判定焊接質(zhì)量。

4 方案實施

根據(jù)以上對無鉛器件焊接工藝技術的分析，試驗方案采用了有鉛制程下的混焊工藝試驗。第一次試驗中，在染色分析項中反映“PCB焊盤與基材間開裂、焊料球中間開裂”等焊接缺陷。

我們對檢測報告進行了分析，認為器件無鉛焊球成份異常是造成焊球開裂的主要原因，這反映在無鉛焊球成份分析中，焊球成份包含Sn、Ag、Au、Pb四種元素，無鉛焊球成份并不是SAC305。經(jīng)與業(yè)內(nèi)專家探討，問題歸結為兩點：1)鉛焊球成份異常，設置的溫度曲線失效；2)沒有控制好無鉛焊點焊接的峰值溫度和液相線以上溫度時間，未產(chǎn)生厚度適中的IMC層導致焊接界面產(chǎn)生裂紋，出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。采取如下措施：低焊接的峰值溫度和液相線溫度時間，將保溫溫度設置在120℃～160℃，延長保溫時間；原焊球置換為成份為SAC305的錫球。

采取措施后，采用植球工裝將器件焊球置換為成份為SAC305的焊球。制作試驗樣件并進行檢測。X-ray檢測影像結果表明焊點無橋連，焊球無移位，空洞率符合IPC-A-610E 8.3.12要求。電性能測試技術文件規(guī)定寫入DSP和FPGA程序，檢測電性能符合要求。隨后樣件送交賽寶實驗室進行可靠性分析檢測，檢測項目按產(chǎn)品規(guī)范要求增加溫度沖擊試驗，明確IMC厚度測量，各項分析分為溫沖前和溫沖后兩種狀態(tài)來檢測。

賽寶實驗室對所有項目進行檢測，檢測項目全部符合焊點可靠性測試相關要求，其中關鍵指標IMC厚度均值在1μm～3μm之間，是焊接良好的一個標志，其結合性和可靠性相對較好。染色試驗沒有出現(xiàn)染色滲漏現(xiàn)象表明焊點沒有虛焊的產(chǎn)生。金相切片分析表明所檢焊點截面空洞率≤25%，為可接受態(tài)。

5 結論

采用有鉛制程下的混焊工藝，焊點性能測試均符合可靠性檢測項目要求。

6 總結及建議

通過以上分析和探討，器件鍍層（或焊球）在有鉛、無鉛共存的狀態(tài)下，無鉛、有鉛器件混焊工藝只要加強各個環(huán)節(jié)過程控制，可以得到焊接可靠的產(chǎn)品。要得到好的焊點質(zhì)量，需要做好下述幾個方面的工作：（1）加強物料采購管理。在產(chǎn)品具有無鉛豁免權的前提下優(yōu)先購買有鉛器件。（2） 做好無鉛物料標識和標簽。應給無鉛元器件、PCB、工藝材料、印刷模板做無鉛標識和標簽，避免與有鉛物料造成混淆。（3）設備及工具控制。無鉛工藝與有鉛工藝采用接觸設備及工具需分別控制，避免造成不必要的影響。（4）工藝技術要求。混焊工藝需根據(jù)器件焊端鍍層及數(shù)量選取適用的工藝制程，做好焊前溫度曲線設置，必要時進行相關的可靠性認證。為防止錫須生長，采取必要的表面敷型工藝。

[1]IPC-A-610E 電子組件的可接受性.

[2]IPC-7711/21B 電子組件的返工返修.

[3]IPC-TM-650 試驗方法手冊.

[4]JIS Z 3198 無鉛焊料試驗方法.

[5]GJB/Z 163《印制電路組件裝焊指南》.