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PCB无铅组装技术与可靠性
PCB无铅组装技术与可靠性
1 引言
随着电子产品日益微小型化和"绿色"环保的要求，使电子组装和封装技术面临新的挑战。欧盟WEEE和RoHS二个"绿色"电子法规的发布和限期实施的要求，加速了电子产品无铅化的进程。
近年来国内关于无铅焊接与组装技术的讨论十分活跃。从焊料、设计和实施工艺的差异到产品的可靠性；从生产、检测设备生产商和焊料厂商以及高校和科研院所都参与到无铅技术的交流中来，并从不同角度推进着PCB无铅组装技术发展的进程。最早应用于混合电路中的片状元件和表面组装技术（SMT）早已广泛用于板级电子产品的组装中，SMT已成为主流的组装工艺。从"有铅"到"无铅"，显示了SMT工艺对不同材料的适应性。SMT等组装技术均涉及元器件、材料（包括焊接材料和基板等）、工艺设备和电路设计等诸多方面，涉及众多相关学科领域。电子产品的研发和生产走出了早期小而全的模式，形成了结构更趋合理、分工更为明确的产业结构。如半导体集成电路产业已从早期集设计、芯片制造和封装于一体的企业演化发展成今天设计、圆片加工及产品封装等三大板块的产业结构。各种整机类的电子产品研发和生产上也形成了新的分工：产品设计、电路板组装和产品总装测试。电路板组装的工作更多的由专业SMT厂来完成。在组装阶段发生的各种缺陷，引起产品失效的各种现象却并不完全由组装工序所决定，也不完全能在该工序发现，因而才会提出产品的可制造性设计。工艺带有的综合性，对表面组装工艺来说除基本工艺原理外还涉及焊料、元器件、基板、设备及设计等相关因素。
本文从焊接组装的基本要求出发，讨论和分析焊料、元器件及工艺等相关因素对产品质量的影响以及常见缺陷产品原因，供读者参考。
2 组装的基本要求
组装的目的是要按照设计的要求将各类电子元器件安装、焊接在基板上，完全规定的电气互连以达到组装件的各项性能要求。具体来说就是：
①完成元器件和焊盘的电气互连；
②在组装工艺全过程中均不允许对元器件的性能造成损伤；
③组装工艺能满足组装件各项性能，包括可靠性的要求；如焊点能承受热疲劳和机械疲劳试验不失效，在潮热、寿命试验中不产生特性变化和电迁移现象等。
当前电子产品"无铅"化已成必然趋势，且已有相当量的产品，特别是假定产品采用了"无铅"组装。业界对其的认识在不断深入，相关设计、材料、元器件、工艺、设备等方面均在不断完善。
目前"无铅"和有铅在工艺上表现的主要差异为：
•焊接温度高：传统铅锡共晶焊料的熔点为183℃，而无铅焊料一般均在217℃以上；
•自校正（Self alignment）能力及侵润性能差；
•工艺窗口狭窄：由于无铅焊料熔点的提高和元器件对温度承受能力的限制造成的；
•焊点外观差。
根据上述差异和组装的基本要求，以下将分别讨论焊料、焊接界面、工艺诸方面对产品质量的影响。
3 焊料特性与可靠性
焊料包括合金焊料和焊膏，分别适用波峰焊和再流焊。
合金焊料是基础材料。两种或两种以上的物质混合形成均匀稳定得分散体系叫作溶液。焊料合金属于固态溶液或称固溶体。相图也称平衡图，用来反映在平衡时温度、组份、相之间的关系。焊料合金在不同组份、不同温度条件下通常呈现三种基本形态：固相、固液共存相（可有几个不同相）及液相。
电子封装行业关心的是焊料在热熔焊后形成焊点对可靠性的影响。合金焊料除了导电性能、机械及热学性能（极限抗拉强度、延伸率、杨氏模量、热膨胀系数）等外，特别关注焊料以下方面的特性：
（1）熔融特性
对于共晶组份的焊料合金有明确的熔点，对不具有共晶组份的焊料合金可以采用固相点、液相点和熔程来表征合金焊料的熔融特性。
（2）浸润特性
润湿特性是焊料最重要的特性，通常可用润湿称量法来测定。
温度对润湿性有很大的影响，通常温度越高润湿性越好，这和表面张力的减小及界面反应有关。无铅焊料的浸润特性比SnPb焊料差。
（3）界面层形态
它对连接的可靠性影响很大，特别是形成很厚反应层时，曾经故容在Sn中的Cu以化合物的形式分散在焊点中，可以认为形成了同尺寸的缺陷，应尽可能避免。因为反应层是金属间化合物（IMC），比较脆且不易与被焊面热膨胀系数匹配。
焊膏是适用于印刷、再流焊工艺的专用焊料。焊膏由焊料合金粉末、助焊剂、粘结剂和溶剂等组成；有固体、有机挥发物和非挥发物。除需具有合金焊料的特性外还需具备：
（1）可印刷性
可印刷性包括焊膏的流变性和触变性（thixotropic）。焊膏是一种糊状物，称为浆料（pastes），它不同于普遍的液体仅具有流动性，也不同于仅有黏度的普通浆糊。焊膏的这种特性可以保证在刮板应力和模板张力的共同作用下，被淀积到基板的焊盘上并保持所需要的外形。焊膏的黏度随刮板施加的切变应力减小，即因"触变"使黏度减小，流动性增大；在不施加刮板压力的情况下，焊膏不具有流动性，而保持外形不变。测量切变应力与黏度的关系曲线可以比较定量地确定该类浆料的触变性能。触变性好的焊膏可以保持印刷在焊盘上的焊膏外形不变，不坍塌（Slump）。焊膏在印刷时具有流动性而在熔融时也再次具有流动性，再流焊（Reflow）也因而得名。
（2）助焊活性
在焊膏中含有助焊剂，兼有去除被焊导电界面氧化物、污染物清洁与润湿表面的作用。无铅焊膏由于浸润稍差而希望助焊剂的活性较强，但又必须使之不产生有害的影响。
4 焊接界面材料
印刷、再流和波峰焊是目前在PCB板极组装中使用最为普遍和成熟的工艺。然而随着电子产品的日趋微小型化和"绿色"环保的要求使组装工艺面临新的挑战，特别是在"无铅化"的要求提出以后。再流焊和波峰焊都是采用焊料将元器件的引出端与基板上的焊盘进行电连接的。它不同于芯片/丝键合（Chip/Wire bonding）工艺和接插件的直接结触电连接。与焊料相连接的两个导体界面元器件引出端及焊盘材料必须满足以下性能：
（1）可焊性
常用浸润性（Wettability）来表征焊料的焊接能力。润浸性能在多数情况下，使用时是采用合适的助焊剂和清洁被焊表面来加以改进的。
（2）耐焊性
由浸析作为（Leaching）引起的，亦称抗浸析力（Resistance to solder leaching）在再流焊或波峰焊的过程中，元器件引出端及焊盘上材料成份会溶入焊料中，这被称为浸析作用。会对互连造成有害的影响。例如纯金导体有良好的抗氧化性和低的电阻率，但金极易溶于焊料中，因而镀金元器件引出端会因浸析作用而破坏电连接。铜亦会因浸析作用而溶入焊槽中，铜溶入会改变焊料的熔点或液相点。
(3)剥离强度(Pull strength)
用以表征焊点与被焊接界面的附着(Adhesion)特性。包括与元器件引出端及基板的被焊接导体界面。
(4)电阻率(Resistivitty)
为保证有良好的电气连接性能，焊接界面导体必须要有低的电阻率。
焊料和被焊接界面熔融冷却后形成焊点。焊点既承担电气连接的功能，同时又必须满足一定的机械强度要求以保证在热疲劳、机械疲劳、以及潮湿、盐雾等各种环境试验下产品不失效。
5 元器件与基板
对元器件和基板除了考虑上述焊接界面导体的要求外，新焊料的使用还必须考虑与元器件引出端、基板焊盘以及工艺(包括相关设备)的兼容性。
①提高元器件对温度的适应性：以锡银铜(SAC)为代表的无铅焊料其焊接温度约比传统铅锡焊料高40℃，必须保证在较高的温度下产品不失效，不引起特性的退化；
②提高基板的材质对温度的适应性：在焊接温度提高后，基板仍需保证其平整度，不产生翘曲等形变。目前FRl板材不能用无铅制程生产；因其Tg点约为90℃，CEM1及FR4可用于无铅生产，其Tg点大于130℃；
③基板镀层的影响：镀层除抗氧化和改善浸润性能外，也需防止因浸析作用对互连的影响。无铅的SAC焊料对铜的浸析作用比传统焊料强。这对覆铜的印制板来说尤需引起关注，对波峰焊来说铜溶入焊槽会引起熔点的升高，而提高温度又会使更多的铜浸析、形成恶性循坏。因而改进和关注板的镀覆材料也很重要；
④目前尚有部份元器件尚未实现"无铅"化，尚有许多工作要做。
6 工艺
考虑到无铅焊料与传统铅锡类焊料的差异，就需要从工艺控制上来弥补其不足，达到产品组装的要求。
主要因素有：
焊膏印刷定位精度提高，以弥补无铅焊膏自校准能力差。 再流焊工艺与设备：工艺窗口的狭窄就要求设备的控温精度更高，并能具有氮气气氛控制，以改善浸润性能；同时要根据组装产品的不同特点合理设置温度曲线。
再流焊温度曲线一般由升温予热、均温予再流、再流区及冷却区组成。
典型升温速率为0．5℃～1．5℃，一般不超过2℃。
峰值温度推荐值为235℃一245℃，范围为230℃～260℃，目标为240℃～245℃。
停留在液相温度以上时间为45s～75s，允许为30s～90s，目标为45s～60s。
再流焊曲线总长度：从环境温度升至峰值温度时间为3min～4min。
在进入液相温度再流区前要完成的功能是：使焊膏中的有机成份及水气充分挥发；使被焊元器件预热，大、小元器件温度均衡；焊膏中的助焊剂充分发挥活性，清洁被焊面。
具体再流焊温度曲线的设置，要根据焊膏的特性，如熔点或液相线温度、助焊剂活性对温度要求、组装产品的特点来决定。
临界区指开始出现液相温度(TL)至峰值温度(TP)的区域；超过液相线的时间为tL(即处于临界区的时间)。
1 引言
随着电子产品日益微小型化和"绿色"环保的要求，使电子组装和封装技术面临新的挑战。欧盟WEEE和RoHS二个"绿色"电子法规的发布和限期实施的要求，加速了电子产品无铅化的进程。
近年来国内关于无铅焊接与组装技术的讨论十分活跃。从焊料、设计和实施工艺的差异到产品的可靠性；从生产、检测设备生产商和焊料厂商以及高校和科研院所都参与到无铅技术的交流中来，并从不同角度推进着PCB无铅组装技术发展的进程。最早应用于混合电路中的片状元件和表面组装技术（SMT）早已广泛用于板级电子产品的组装中，SMT已成为主流的组装工艺。从"有铅"到"无铅"，显示了SMT工艺对不同材料的适应性。SMT等组装技术均涉及元器件、材料（包括焊接材料和基板等）、工艺设备和电路设计等诸多方面，涉及众多相关学科领域。电子产品的研发和生产走出了早期小而全的模式，形成了结构更趋合理、分工更为明确的产业结构。如半导体集成电路产业已从早期集设计、芯片制造和封装于一体的企业演化发展成今天设计、圆片加工及产品封装等三大板块的产业结构。各种整机类的电子产品研发和生产上也形成了新的分工：产品设计、电路板组装和产品总装测试。电路板组装的工作更多的由专业SMT厂来完成。在组装阶段发生的各种缺陷，引起产品失效的各种现象却并不完全由组装工序所决定，也不完全能在该工序发现，因而才会提出产品的可制造性设计。工艺带有的综合性，对表面组装工艺来说除基本工艺原理外还涉及焊料、元器件、基板、设备及设计等相关因素。
本文从焊接组装的基本要求出发，讨论和分析焊料、元器件及工艺等相关因素对产品质量的影响以及常见缺陷产品原因，供读者参考。
2 组装的基本要求
组装的目的是要按照设计的要求将各类电子元器件安装、焊接在基板上，完全规定的电气互连以达到组装件的各项性能要求。具体来说就是：
①完成元器件和焊盘的电气互连；
②在组装工艺全过程中均不允许对元器件的性能造成损伤；
③组装工艺能满足组装件各项性能，包括可靠性的要求；如焊点能承受热疲劳和机械疲劳试验不失效，在潮热、寿命试验中不产生特性变化和电迁移现象等。
当前电子产品"无铅"化已成必然趋势，且已有相当量的产品，特别是假定产品采用了"无铅"组装。业界对其的认识在不断深入，相关设计、材料、元器件、工艺、设备等方面均在不断完善。
目前"无铅"和有铅在工艺上表现的主要差异为：
•焊接温度高：传统铅锡共晶焊料的熔点为183℃，而无铅焊料一般均在217℃以上；
•自校正（Self alignment）能力及侵润性能差；
•工艺窗口狭窄：由于无铅焊料熔点的提高和元器件对温度承受能力的限制造成的；
•焊点外观差。
根据上述差异和组装的基本要求，以下将分别讨论焊料、焊接界面、工艺诸方面对产品质量的影响。
3 焊料特性与可靠性
焊料包括合金焊料和焊膏，分别适用波峰焊和再流焊。
合金焊料是基础材料。两种或两种以上的物质混合形成均匀稳定得分散体系叫作溶液。焊料合金属于固态溶液或称固溶体。相图也称平衡图，用来反映在平衡时温度、组份、相之间的关系。焊料合金在不同组份、不同温度条件下通常呈现三种基本形态：固相、固液共存相（可有几个不同相）及液相。
电子封装行业关心的是焊料在热熔焊后形成焊点对可靠性的影响。合金焊料除了导电性能、机械及热学性能（极限抗拉强度、延伸率、杨氏模量、热膨胀系数）等外，特别关注焊料以下方面的特性：
（1）熔融特性
对于共晶组份的焊料合金有明确的熔点，对不具有共晶组份的焊料合金可以采用固相点、液相点和熔程来表征合金焊料的熔融特性。
（2）浸润特性
润湿特性是焊料最重要的特性，通常可用润湿称量法来测定。
温度对润湿性有很大的影响，通常温度越高润湿性越好，这和表面张力的减小及界面反应有关。无铅焊料的浸润特性比SnPb焊料差。
（3）界面层形态
它对连接的可靠性影响很大，特别是形成很厚反应层时，曾经故容在Sn中的Cu以化合物的形式分散在焊点中，可以认为形成了同尺寸的缺陷，应尽可能避免。因为反应层是金属间化合物（IMC），比较脆且不易与被焊面热膨胀系数匹配。
焊膏是适用于印刷、再流焊工艺的专用焊料。焊膏由焊料合金粉末、助焊剂、粘结剂和溶剂等组成；有固体、有机挥发物和非挥发物。除需具有合金焊料的特性外还需具备：
（1）可印刷性
可印刷性包括焊膏的流变性和触变性（thixotropic）。焊膏是一种糊状物，称为浆料（pastes），它不同于普遍的液体仅具有流动性，也不同于仅有黏度的普通浆糊。焊膏的这种特性可以保证在刮板应力和模板张力的共同作用下，被淀积到基板的焊盘上并保持所需要的外形。焊膏的黏度随刮板施加的切变应力减小，即因"触变"使黏度减小，流动性增大；在不施加刮板压力的情况下，焊膏不具有流动性，而保持外形不变。测量切变应力与黏度的关系曲线可以比较定量地确定该类浆料的触变性能。触变性好的焊膏可以保持印刷在焊盘上的焊膏外形不变，不坍塌（Slump）。焊膏在印刷时具有流动性而在熔融时也再次具有流动性，再流焊（Reflow）也因而得名。
（2）助焊活性
在焊膏中含有助焊剂，兼有去除被焊导电界面氧化物、污染物清洁与润湿表面的作用。无铅焊膏由于浸润稍差而希望助焊剂的活性较强，但又必须使之不产生有害的影响。
4 焊接界面材料
印刷、再流和波峰焊是目前在PCB板极组装中使用最为普遍和成熟的工艺。然而随着电子产品的日趋微小型化和"绿色"环保的要求使组装工艺面临新的挑战，特别是在"无铅化"的要求提出以后。再流焊和波峰焊都是采用焊料将元器件的引出端与基板上的焊盘进行电连接的。它不同于芯片/丝键合（Chip/Wire bonding）工艺和接插件的直接结触电连接。与焊料相连接的两个导体界面元器件引出端及焊盘材料必须满足以下性能：
（1）可焊性
常用浸润性（Wettability）来表征焊料的焊接能力。润浸性能在多数情况下，使用时是采用合适的助焊剂和清洁被焊表面来加以改进的。
（2）耐焊性
由浸析作为（Leaching）引起的，亦称抗浸析力（Resistance to solder leaching）在再流焊或波峰焊的过程中，元器件引出端及焊盘上材料成份会溶入焊料中，这被称为浸析作用。会对互连造成有害的影响。例如纯金导体有良好的抗氧化性和低的电阻率，但金极易溶于焊料中，因而镀金元器件引出端会因浸析作用而破坏电连接。铜亦会因浸析作用而溶入焊槽中，铜溶入会改变焊料的熔点或液相点。
(3)剥离强度(Pull strength)
用以表征焊点与被焊接界面的附着(Adhesion)特性。包括与元器件引出端及基板的被焊接导体界面。
(4)电阻率(Resistivitty)
为保证有良好的电气连接性能，焊接界面导体必须要有低的电阻率。
焊料和被焊接界面熔融冷却后形成焊点。焊点既承担电气连接的功能，同时又必须满足一定的机械强度要求以保证在热疲劳、机械疲劳、以及潮湿、盐雾等各种环境试验下产品不失效。
5 元器件与基板
对元器件和基板除了考虑上述焊接界面导体的要求外，新焊料的使用还必须考虑与元器件引出端、基板焊盘以及工艺(包括相关设备)的兼容性。
①提高元器件对温度的适应性：以锡银铜(SAC)为代表的无铅焊料其焊接温度约比传统铅锡焊料高40℃，必须保证在较高的温度下产品不失效，不引起特性的退化；
②提高基板的材质对温度的适应性：在焊接温度提高后，基板仍需保证其平整度，不产生翘曲等形变。目前FRl板材不能用无铅制程生产；因其Tg点约为90℃，CEM1及FR4可用于无铅生产，其Tg点大于130℃；
③基板镀层的影响：镀层除抗氧化和改善浸润性能外，也需防止因浸析作用对互连的影响。无铅的SAC焊料对铜的浸析作用比传统焊料强。这对覆铜的印制板来说尤需引起关注，对波峰焊来说铜溶入焊槽会引起熔点的升高，而提高温度又会使更多的铜浸析、形成恶性循坏。因而改进和关注板的镀覆材料也很重要；
④目前尚有部份元器件尚未实现"无铅"化，尚有许多工作要做。
6 工艺
考虑到无铅焊料与传统铅锡类焊料的差异，就需要从工艺控制上来弥补其不足，达到产品组装的要求。
主要因素有：
焊膏印刷定位精度提高，以弥补无铅焊膏自校准能力差。 再流焊工艺与设备：工艺窗口的狭窄就要求设备的控温精度更高，并能具有氮气气氛控制，以改善浸润性能；同时要根据组装产品的不同特点合理设置温度曲线。
再流焊温度曲线一般由升温予热、均温予再流、再流区及冷却区组成。
典型升温速率为0．5℃～1．5℃，一般不超过2℃。
峰值温度推荐值为235℃一245℃，范围为230℃～260℃，目标为240℃～245℃。
停留在液相温度以上时间为45s～75s，允许为30s～90s，目标为45s～60s。
再流焊曲线总长度：从环境温度升至峰值温度时间为3min～4min。
在进入液相温度再流区前要完成的功能是：使焊膏中的有机成份及水气充分挥发；使被焊元器件预热，大、小元器件温度均衡；焊膏中的助焊剂充分发挥活性，清洁被焊面。
具体再流焊温度曲线的设置，要根据焊膏的特性，如熔点或液相线温度、助焊剂活性对温度要求、组装产品的特点来决定。
临界区指开始出现液相温度(TL)至峰值温度(TP)的区域；超过液相线的时间为tL(即处于临界区的时间)。
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