劉 浩 范銀星

（深圳和而泰智能控制股份有限公司，廣東 深圳 518057）

隨著歐美與中國(guó)ROHS（歐盟關(guān)于在電氣電子產(chǎn)品中限制使用等有害物質(zhì)的指令）法規(guī)的進(jìn)一步加速覆蓋，無(wú)鉛化焊接是推動(dòng)印制電路板（PCB）生產(chǎn)以及電子組裝行業(yè)變革與發(fā)展的熱點(diǎn)。無(wú)鉛化焊錫與傳統(tǒng)的錫鉛焊料想比，不僅組成體系不一樣，而且在各自性能上存在很大的差異。目前對(duì)無(wú)鉛焊錫體系進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，以錫（Sn）金屬為基礎(chǔ)的無(wú)鉛焊錫可分為二元體系，三元體系，四元體系，但從低共（晶）熔點(diǎn)，表面張力，熔融焊錫與銅面的接觸角度、焊接溫度、焊錫助焊劑、潤(rùn)濕時(shí)間以及焊點(diǎn)耐疲勞強(qiáng)度方面考慮，三元體系的無(wú)鉛焊錫被廣泛的應(yīng)用。三元體系的無(wú)鉛焊錫以Sn-Ag-Cu和Sn-Cu-Ni兩者居多。由于銀的價(jià)格成本因素考慮以及銀的焊點(diǎn)光澤度問(wèn)題，往往PCB無(wú)鉛熱風(fēng)整平焊錫采用Sn-Cu-Ni三元體系的無(wú)鉛焊錫。作為興起的無(wú)鉛表面處理工藝，其焊料性能方面仍然存在一些不足，最頻出現(xiàn)的問(wèn)題就是下游組裝廠商在高溫回流焊后，三元體系錫層很容易產(chǎn)生發(fā)黃問(wèn)題。本文從此類(lèi)發(fā)黃的角度，通過(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合，探討如何避免發(fā)生此類(lèi)的異常，滿(mǎn)足客戶(hù)外觀要求。

1 無(wú)鉛熱風(fēng)整平和回流焊過(guò)程

1.1 無(wú)鉛熱風(fēng)整平的過(guò)程

先將PCB放置于錫爐掛鉤上，將清潔好的PCB浸上助焊劑，浸入熔融的三元無(wú)鉛焊錫槽，從兩個(gè)空氣風(fēng)刀之間通過(guò)，用空氣刀的熱壓縮空氣把PCB上多余焊錫吹掉。排出金屬化孔內(nèi)的多余焊錫，使PCB導(dǎo)線線路上沒(méi)有焊料堆積，也不堵孔，得到一個(gè)平滑均勻而光亮的焊料涂覆層。熱風(fēng)整平焊錫涂覆工藝示意圖及設(shè)備（見(jiàn)圖1）。

圖1 熱風(fēng)整平焊錫示意圖及設(shè)備

1.2 回流焊參數(shù)

制程材料：錫膏，品牌：ALPHA。設(shè)備鏈速：（90±10）cm/min（見(jiàn)表1）。

表1 設(shè)備設(shè)置溫度

2 回流焊后錫面焊盤(pán)發(fā)黃分析

回流焊后外觀檢查錫面焊盤(pán)出現(xiàn)發(fā)黃，進(jìn)行表面形貌觀察和成分對(duì)比分析（見(jiàn)圖2、圖3、表2、圖4）。

圖2 SEM（掃描電子顯微鏡）錫面形貌

圖3 SEM（掃描電子顯微鏡）焊錫剖面形貌

表2 EDS（電子擴(kuò)散X射線能譜儀）圖譜

圖4 AES（線歇電子能光譜）圖譜

測(cè)試可見(jiàn)，發(fā)黃位置C、O元素含量增多，失效位置的富氧層（氧化層）比正常位置厚很多，表面錫的表面已經(jīng)氧化。錫的氧化分為常溫自然氧化和高溫狀態(tài)氧化，此種錫面層處在不同高溫條件下，也會(huì)產(chǎn)生不同的氧化程度。因此經(jīng)過(guò)回流焊后，錫面形貌發(fā)生了改變，可能是錫面氧化所致，也有可能是錫中間夾著這有機(jī)物高溫下分解所致。同時(shí)錫面回流變色與錫氧化層厚度有很大關(guān)系，隨著時(shí)間的推移以及回流高溫次數(shù)的增加，發(fā)黃程度越來(lái)越嚴(yán)重。此外發(fā)黃表面EDS-Cu元素，表明存在高溫下的合金層生長(zhǎng)過(guò)快，已生長(zhǎng)至錫層表面。

盡管目前下游組裝廠為了抑制錫面的氧化程度，回流焊加入惰性氣體氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，但因?yàn)楫a(chǎn)品本身的成本因素，仍然希望上游PCB廠商對(duì)于錫面的抗氧化性進(jìn)行改良。

3 錫面高溫下抗氧化弱的原因探討

3.1 印制板涂覆焊錫厚度

參考美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/IPC-SD-320B，其2.10、2.1涂層厚度要求，應(yīng)以焊料涂層的可焊性為原則。對(duì)于錫厚的要求，提高錫厚對(duì)于改善錫面發(fā)黃問(wèn)題確實(shí)無(wú)良好改進(jìn)，也容易導(dǎo)致SMT（表面安裝技術(shù)）生產(chǎn)中錫膏熔化的瞬間所形成的表面張力巨大差異，最終導(dǎo)致元件出現(xiàn)立碑效應(yīng)。（錫厚過(guò)薄，IMC（界面合金化合物）向錫面表層遷移。

高溫狀態(tài)下，Cu原子擴(kuò)散速度要快于Sn原子，加之焊錫槽本身含有Cu，加劇此種現(xiàn)象發(fā)生，某種意義上而言，錫面發(fā)黃為錫面合金的顏色。下游組裝廠商為了延長(zhǎng)PCBA（印制電路板組裝件）貨架壽命，再后續(xù)時(shí)間進(jìn)行最后加工焊接，焊盤(pán)不允許任何變色。有些上游PCB廠商為了應(yīng)對(duì)此種特殊情況，完成一定錫厚的產(chǎn)品通過(guò)高加速壽命試驗(yàn)來(lái)觀察錫面在持續(xù)變化的特定環(huán)境的穩(wěn)定性，為熱風(fēng)整平焊錫質(zhì)量改善過(guò)程中提供參考數(shù)據(jù)。故需要對(duì)焊錫涂覆層的厚度有規(guī)定，不能偏薄，一般建議涂覆焊錫層厚度4～5 μm左右。

3.2 添加微量Ge元素

盡管三元合金成分Sn-0.7Cu-0.05Ni復(fù)合焊料性能比Sn-Cu優(yōu)越，但為了進(jìn)一步提供其復(fù)合性能，有研究者往往加入部分微量稀有元素Ge，以此來(lái)改良它的潤(rùn)濕性能，融化特性以及力學(xué)性能。如下為某大型PCB廠商實(shí)際添加Ge焊料的影響，后續(xù)將Ge元素列入SPC（統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制）重點(diǎn)管制（見(jiàn)圖5）。

圖5 添加Ge為0.0078%的焊料試驗(yàn)

進(jìn)行Ge含量0、0.0027%和0.0078%的試驗(yàn)，Ge為0.0078%的焊料沒(méi)有錫面發(fā)黃。試驗(yàn)表明Ge元素具有表面偏析的特性，當(dāng)微量元素Ge濃度達(dá)到一定范圍時(shí)，它會(huì)在液態(tài)Sn 表面高度富集，并形成一種致密的保護(hù)性氧化膜，從而提高Sn的抗氧化能力。避免了錫表面與高熱空氣狀態(tài)下形成氧化亞錫。焊料供應(yīng)商推薦水平Ge應(yīng)達(dá)到0.005%～0.008%。

此外，Ge焊料的添加能夠較低被金屬化合物吸收，讓焊料微觀組織明顯細(xì)化，IMC相晶粒尺寸減小到約10 μm，當(dāng)繼續(xù)微量添加到質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%時(shí)，細(xì)化的金屬化合物均勻分布在晶界處?？傊谘芯縎n-Cu-Ni焊料過(guò)程中，往往希望通過(guò)添加第四中元素來(lái)改善合金系的各項(xiàng)性能，內(nèi)部組織得到細(xì)化，IMC的生長(zhǎng)得到抑制。

3.3 助焊劑殘留

對(duì)于助焊劑殘留類(lèi)型有極性和非極性殘留物，這些殘留物經(jīng)過(guò)高溫回流焊，不可避免發(fā)生氧化分解反應(yīng)，引起錫面發(fā)黃變色。PCB水洗的過(guò)程同樣是一個(gè)稀釋的過(guò)程。熱風(fēng)整平焊錫后水洗過(guò)程控制方面：水的水質(zhì)（DI水或者自來(lái)水或循環(huán)水）、水洗的方式（高壓水洗或者熱水）、水量、時(shí)間（可以理解為后處理鏈速）及水洗后的干燥都需要嚴(yán)格的規(guī)范。

有某廠商提供PCB在回流焊后發(fā)黃，使用橡皮擦拭后，長(zhǎng)時(shí)間放置空氣無(wú)發(fā)黃問(wèn)題。后續(xù)查詢(xún)生產(chǎn)記錄，要求后處理SOP（標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序書(shū)）速度4～7 m/min，實(shí)際6.9 m/min，清洗速度太快，導(dǎo)致助焊劑清潔不盡風(fēng)險(xiǎn)。后續(xù)修改MI（生產(chǎn)信息）指示，明確界定此款產(chǎn)品后處理速度為4 m/min，避免助焊劑殘留，后續(xù)不再發(fā)生此類(lèi)發(fā)黃問(wèn)題。

4 總結(jié)

無(wú)鉛焊錫的錫面回流焊后發(fā)黃因素還存在著其它方面幾個(gè)因素：錫槽換缸頻率過(guò)長(zhǎng)，錫槽除Cu方法頻率不足，開(kāi)缸焊錫雜質(zhì)多或所補(bǔ)充添加錫條純度低，助焊劑的抗氧化性差，在高溫分解殘留或者錫表層由于助焊劑活性弱而發(fā)生氧化反應(yīng)等等。從產(chǎn)生的原因及解決的方法考慮，我們既要從焊錫的組成純度入手，提供其抗氧化性，也要從熱風(fēng)整平焊錫制程的各個(gè)管控點(diǎn)去把握。希望通過(guò)此次案例及時(shí)分享給同行。如存在不足之處，請(qǐng)不吝賜教，