5A版无铅焊PCB装配的挑战与机遇

1、7A 版优质实用文档无铅焊 PCB 装配的挑战与机遇清华伟创力伟创力 SMT 实验室王豫明王天曦编译摘要本文概述了无铅焊接中所遇到的问题。 PCB 装配的问题包括焊料合金的特 性、冶金学反应、焊膏要求、对 PCB/元器件的影响、电 / 机械性能的可靠性。工 艺方面问题包括回流焊、波峰焊、返修，以及质量、设备、成本、设计。无铅的 转换需要仔细运作，工业界共同广泛合作才能达到平滑过渡。关键词：无铅焊、 PCB装配、焊接互连的可靠性、回流焊、波峰焊。前言在过去的十年里， 工业界花费了很多的经历去寻找无铅合金。 在此之后， 学 术界、金融界、电子工业已经广泛地逐渐转入 PCB 的无铅焊接。通过寿命循环

2、 分析，人们对无铅的优点和环境的受益方面仍有很多的争议，但就目前的趋势， 世界范围内，从立法、研发、商业运作、商业要求、市场竞争等，无铅焊料的 PCB 装配势在必行，即使从有铅到无铅的转换可能是一个缓慢和逐步的过程。 十年前开始的无铅工作，重点是对不含 Pb 的合金进行鉴别，同时满足原共晶 Sn-Pb 合金的基本工艺和性能。现在已经很清楚， PCB 的无铅装配几乎涉及了 电子制造的每一个领域：材料、工艺、设计、元器件、可靠性、质量、设备、成 本。本文概述了无铅焊料的问题和机会。图 1 ：影响电迁移的因素一、材料 1合金特点 无铅焊料合金必须满足下列要求： 合金成份中不含铅或对环境造成关注的元素

3、。 合金熔点的温度范围在 180 230 。7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档合金具有良好的物理特性，如导电性 / 导热性，润湿性、表面张力等。 合金具有良好的化学性能，如腐蚀性、氧化性、残渣的形成、电迁移等。 合金的冶金性能良好 合金具有可制造性，容易加工成焊膏、焊条、焊丝形式。合金的成本合理、资源丰富 合金的机械性能良好。早期的研究工作中，共晶的 Sn-Ag 合金开发出来作为无铅焊料。现在，工 业界已经集中在 Sn-Ag-Cu 三重共晶合金（熔点 217 ）作为回流焊接，或 Sn-Cu 共晶合金（熔点 227Sn-Cu ）用作波峰焊。通常认为 Sn-Ag-Cu 合金中， Ag 含 量

4、从 3.0%-4.0% （按照重量百分比）的变化 ,都被认为是可接受的合金。其他三 重或四重无铅焊料合金也存在，几乎都以 Sn 作为主要的成分配方，除了某种特 别的合金如 Au-Sn 外。根据润湿性、残渣的形成和可靠性， Sn-Cu 仅次于 Sn-Ag-Cu ，然而，它的成 本比 Sn-Ag-Cu 低得多，所以在波峰焊中， Sn-Cu 合金成为很有吸引力的无铅 替代合金， 特别是对成本敏感的产品。 波峰焊中焊条的成本直接与金属的成本有 关，而回流焊中， 金属成本只是焊膏成本的一部分， 即使很多制造厂商愿意使用 相同的合金焊料 Sn-Ag-Cu 在用一块 PCB 的两面回流焊和波峰焊，但大多数产

5、 品中，一种板的一面用 Sn-Ag-Cu 回流焊，另一面用 Sn-Cu 波峰焊。由于 Sn-Cu 二元金相陡峭的斜率 （在液相线上合金成分每百分之一的改变， 温度变化 30 ， 约 Sn-Pb 斜率的 20 倍），因此 Sn-Cu 焊料槽中的化学成分需要密切的控制， 好 几种 Sn-Cu 合金也被介绍，包括 Ag 、 Ni 、和其他合金元素。Sn-Zn 共晶合金提供了相对较低的熔点温度（ 189 ）和有利的机械性能，由于 在波峰焊接时残渣形成量大，限制了含 Zn 合金的波峰焊使用，但是可以考虑回 流焊中使用，这仍有很多工作需要去做，如配制一种可行的免清洗的 Sn-Zn 合7A 版优质实用文档7

6、A 版优质实用文档金焊膏，且焊膏的搁架寿命能达 6 个月。 Sn-Bi 共晶合金（或各种变化合金如添 加 Ag 等）提供了较低的熔点温度（约 138 ），在热机械负载时具有良好的可 靠性，可以选作适当的应用。2无铅合金定义当我们实施无铅焊实际应用时， 无铅合金的定义仍是一个讨论的题目； 流行 的观点和工业上相应的标准是：铅含量 0.10.2wt （大多数 0.1 ）以下，其 他元素（如 Ag 、Cu ）的含量公差为 0.2为无铅。 通过商业协会团体（如 IPC）的大多数的意见，根据 Sn-Ag-Cu 合金，在无铅焊 料成分的标准化方面也做了一些努力。这些努力也有助于无铅批量化生产的转 变。3冶

7、金性能和兼容性对 Sn-Ag 和 Sn-Ag-Cu 合金的物理性能和机械性能已进行了大量的研究。 人们已经很好地认识到 Bi 含量的合金与 Sn-Pb 合金元件端头之间的兼容性问 题，通过在 97 形成三元 Sn-Pb-Bi 合金，只是没有得到更精确的数量问题。 大多数人认为，无铅焊料 PCB 装配的转变将是一个逐步的过程，在这个转变期 间，许多产品的装配可能是使用无铅焊料和有铅引脚元件。在“无铅”焊点中， 铅的含量可能来源于元件的引脚或 BGA 的焊球。对于波峰焊，由于元件引脚 Pb-Sn 电镀层不断融解， 焊点中铅的含量需要进行监视。 无铅焊料中的 Pb 对长 期可靠性的影响是一个课题，需

8、要更进一步研究。初步的研究显示，焊点中 Pb 含量的不同对可靠性的影响是不同的，当含量在某一个中间范围时，影响最大， 这是因为在最后凝固形成结晶时， 在 Sn 枝界面处，有偏析金相 （如粗状 Pb 枝） 形成，这些偏析金相在循环负载下开始形成裂纹并不断扩大。例如：2 5的 Pb 可以决定无铅焊料的疲劳寿命，但与 Sn-Pb 焊料相比，可靠性相差不大。 4助焊剂7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档免清洗 Sn-Pb 焊膏已经使用了多年，而且已是成熟的技术。早期无铅焊膏 的做法是简单地将免清洗焊剂（为有 Pb-Sn 研发的）和无铅合金混合，结果很 惨。故为了能兼容无铅合金的特性， 无铅焊剂必须

9、专门配制。 焊膏中助焊剂和焊 料合金间的化学反应影响了焊膏的流变特性（对印刷性能至关重要） 。无铅焊料 和铅锡焊料之间的密度差异意味着无铅焊膏中金属含量的不同， 无铅需要的焊接 温度越高，要求焊剂在更高温时有更大的稳定性。回流焊后，根据ICT（电路测试）探针能力和电迁移，助焊剂残渣也是考虑的重要因素。 类似地，免清洗焊剂和无 VOC （挥发性有机化合物）焊剂需要特殊配制用于波 峰焊中，无铅焊膏和波峰焊应用中的水溶性焊剂对某些产品也是需要的。图 2 ：无铅焊膏中助焊剂的化学成分将被重新配制5PCB 无铅焊料装配中涉及 PCB 的有好几个问题。 PCB焊盘的表面处理一般采用热风 整平工艺（ HAS

10、L ），寻找一种替代 HASL 的工艺已经好几年了， 主要因为 HASL 表面处理在质量上固有的矛盾。例如 HASL 的厚度（涉及可靠性）很难控制；在 涂覆薄薄一层 HASL 的焊盘面积上，通过形成 Sn-Cu 金属间化合物使锡消耗， 结果产生不可润湿的焊盘面积， 导致不润湿或反润湿。 HASL 是典型的非平坦（拥 有园顶形） 表面，印刷焊膏时很难得到均匀一致的焊膏量， 很难贴装细间距元件 （小于 25mil ）。HASL 工艺本身并不是和某些电镀工艺一样清洗和容易控制。 无铅焊料的运动提供了附加的推动力，使 HASL 朝无铅表面处理方向发展。 无铅 HASL ，在 Pb-Sn 的地方使用某些

11、无铅合金，在商业上已开始使用。化学 镀 Ni 和浸金（ ENIC ）提供了良好的可焊性而且用于大多数接触或开关的地方， 然而，严格的工艺控制是必须的，为了防止灾难性的“黑焊盘”故障。对于较高 端的应用，电解 Ni/Au 提供了更可靠的表面处理，一定要限定 Au 层的厚度， 因为太多的 Au 溶解到焊点里（无论是 Sn-Pb 还是 Sn-Ag-Cu ）都将引起金脆。7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档当然电解 Ni/Au 比 ENIG 表面处理更贵。浸银工艺（ IAg ）是目前使用更多、 成本更低廉的替代工艺，而且更为广泛地被工业界接受。它的可焊性、 ICT 可探 测性、以及接触 / 开关焊

12、盘的性能不如 Ni-Au ，但对于大多数应用确已足够。对 于 IAg ，精确的化学配方、厚度、表面平整度、以及银层内有机元素的分布， 都必须仔细选择和规定， 所有的替代工艺都必须使用于有铅和无铅两种工艺。 最 传统最经济的工艺，有机保护焊剂（ OSP）具有局限性，这是根据大量的热暴露 循环，特别是无铅要求的焊接温度下，而得到的结论。图3 浸银表面处理作为节约成本的工艺PCB 另外一个重要的问题是它的热稳定性。 当焊接温度增加时， Z 轴的 CTE（热 膨胀系数）与 GY方向的层压材料、玻璃纤维、以及 Cu之间的 CTE不匹配，将 在 Cu 上产生很大的应力，潜在引起电镀过孔产生裂纹而失效。这是

13、一个相当复 杂的问题，因为它取决于很多变量，如 PCB 的层数、厚度、层压材料、焊接曲 线、以及 Cu 的分布、过孔的几何形状（如纵横比）等。无铅焊接来讲， PCB 还 有很多问题需要解决：相对于传统的 FR4 而言，什么条件下、采用用何种替代 层压板材料（如高 Tg、低CTE）等都需要决定。这不是说低成本的材料（如 CEM、 FR2 等）不能用于无铅焊接；事实上，这种应用确实存在于大批量生产中。 另外，与无铅焊料平行发展的是朝无卤素层压板的方向发展， 而且它们可能独立 地进行。二、工艺 1焊膏性能评估即使是相同的焊料合金，根据配方的不同，焊膏的性能可能有很大的差异 （18）。正如前面提到的，

14、早先将 Sn-Pb 焊膏的助焊剂与 SAC 焊粉简单地混合配 制，通常不能提供优质的无铅焊膏， 为了对不同的供应商提供的无铅焊膏进行评 估，必须设计一种测试板， 它有多个测试区域用于多种测试目的， 如不同面积比7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档的可印刷性、塌陷测试、润湿测试、焊球测试、 SIR 测试等，它们都按照 IPC-TM-650 的测试方法进行测试。根据可印刷性、粘性、塌陷以及焊球 （19 ）来比较 Sn-Pb 和无铅焊膏， Sn-Pb 焊 膏和无铅焊膏没有明显一致的差异， 这是因为这些性能是根据焊膏的配方， 而不 是直接与焊料合金有关。然而，在润湿性方面， Sn-Pb 焊膏和无铅

15、焊膏就有明 显一致的差异。无论是 Sn-Pb 焊膏还是无铅焊膏，在 OSP上的润湿性不及 Ni/Au 的，但无铅焊膏与 Sn-Pb 焊膏的润湿性有很大的差异，一般来讲，无铅焊膏在 OSP 和 Ni/Au 上的润湿性没有 Sn-Pb 焊膏好。无铅焊膏在 OSP 上回流焊接时 其扩展性非常有限， 回流后暴露的边角很普遍， 除非整个焊盘印上焊膏。 在早期 的研究报告中指出，与 Sn-Pb 免清洗焊膏和无铅免清洗焊膏之间润湿性的差异 相比较， 7 种不同无铅焊膏之间的润湿性的差异相当小， 而有铅和无铅润湿性差 异大，这种差异确实是由于焊料合金引起的，这和 SAC 和 Sn-Pb 焊料合金之间 表面张力

16、和润湿特性的不同相一致。另外，需要专门的助焊剂配制无铅焊膏。 2回流焊工艺回流曲线的关键参数是峰值温度。需要足够的回流温度将焊料融化、回流 / 润湿以及焊盘上的 Cu 或元件端子相互作用， 当冷却固化时形成强健的金属间化 合物结合层。典型过热要求在熔点温度以上 30 。对于无铅焊料，由于关心元 件的热稳定性（将在下面下节详细讨论） ，需要努力将焊接温度减至小。 对于 SAC 合金共晶温度 217 ，考虑工艺强度、产量、元件表面处理的变化、炉的热稳定 性和公差等，批量回流焊时最小的峰值温度应为 235 ，驻留时间（ TAL，液态 以上温度时间）典型值 40 90 秒。回流曲线可能有一个直的斜率，

17、或为了在整 个板面上获得均匀的温度分布， 有一个平缓的预热区。 回流焊接可以在空气或氮 气中进行。重要的是：一定要确定助焊剂对于高焊接温度具有热稳定性。双面板回流焊接中， 板底部元件在第二次焊接时的掉件问题正在研究， 努力7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档建立经验规则（元件重量与焊盘面积的比率） 。图4 典型无铅回流焊接曲线3波峰焊工艺无铅波峰焊，要求较高的焊接温度，典型值 255 270 。每一种特定的 助焊剂，其涂覆（喷射、发泡等）的量一定优化；为了使热冲击保持（预热和峰 值温度的差异）在 100 以下，需要较长的预热； Sn-Pb 很流行的双波峰焊仍 将用于无铅波峰焊中， 氮气也可

18、用来改善产量。 对焊渣形成的研究已经发现： 在 相同的温度、相同的持续时间、相同的气体环境下， SAC 和 Sn-Pb 形成焊渣的 量非常相似，而 Sn-Cu 焊料形成的焊渣相当大。 正如 Sn-Pb 焊料一样，氮气（N 2） 帮助减少焊渣的形成。波峰焊其他工艺参数对产量和质量的影响， 如传送带的速度、 驻留时间、 接 触长度、元件引脚方向和焊接方向（平行或垂直）等，有铅和无铅类似。无铅波峰焊焊点的化学成分需要密切监视， 特别是在初始阶段， 这对 Sn-Cu 焊料特别重要。二元 Sn-Cu 合金金相图显示当铜的成分改变 0.2% ，液相温度改 变多达 6。这样的改变可能导致动力学的改变以及焊接

19、质量的改变。在无铅研究的初始阶段， 好几个研究机构报道过波峰焊后焊料带从铜焊盘上 分离的问题，这是罕见的。4返修工艺已发现无铅焊料的返修相当困难， 主要因为无铅焊料合金没有铅锡焊料那样 容易润湿或灯芯现象，这可以从 QFP 元件引脚看出。尽管返修很困难，但成功 的返修方法（无论手动还是半自动）已经研发出来，对于所有类型的元件（分立 元件、面阵列封装元件） ，使用膏状焊剂、焊剂笔、焊锡丝等。焊接参数一定调 节适应无铅焊料的高熔点温度和低润湿性。 同时返修过程中一定小心， 将任何潜 在的对元件和 PCB 的可靠性产生不利影响的因素降至最低。 SIR 的测试也要完7A 版优质实用文档7A 版优质实用

20、文档成，以确保采用免清洗技术时，回流焊 / 波峰焊所用助焊剂与返修助焊剂发生反 应的任何产品不造成电迁移和枝状晶增长的风险。三、设计规则可以预见， 当转向无铅焊接时， 设计规则将不会有较大的改变。 在我们能有 更权威性的答案前，需要通过大量的生产积累更多的数据。通孔元件的波峰焊， 为了适应无铅和 Sn-Pb 焊料合金物理性能的差异， 设计上的某些改变可能需要。 通常的指导，如板相对于焊接方向的方位，仍适合于无铅焊接。正如和 Sn-Pb 焊料一样，为了将板上温差降到最低， PCB 上最优的板面布 局和铜的分布对焊接有利。 这一点对无铅焊特别重要， 以便能将温度对元件的影 响降至最低。四、元件有两

21、种重要的与元件有关的问题：元件端头冶金学和温度稳定性。 1端头冶金学大多数传统元件，有引脚元件（如 QFP、SOT等）、球形引脚元件（如 BGA、 CSP 等）、或端头焊端元件（如 chip 元件的电阻、电容、 LGA、QFN 等），这些 元件的焊端电镀或涂覆 Sn-Pb 合金，为焊接提供可焊性。大家认为，对于无铅 焊料的焊接， 元件上的 Sn-Pb 镀层同样能提供足够的可焊性。 因此在转换期间， 一些 Sn-Pb 电镀元件可能用无铅焊料焊接，也许 BGA 和 CSP的 Sn-Pb 焊球例 外，无铅焊点中铅的影响已在前面讨论过。许多无铅元件端子表面已被评估，而且使用了很多年。对于无源元件（如

22、Chip 电容和电阻），不光滑的 Sn 镀层和 Sn-Pb 焊料一起用了许多年， 而且也能 和无铅焊料一起使用。对于有引脚元件（如 QFP ）， Sn 镀层或 Sn Bi（1 3Bi）镀层可用于无 铅焊料。 和 Sn-Pb 焊料一起用了很多年的 Ni/Pd ，以及 Ni/Pd/Au ，都是无铅焊7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档接元件引脚镀层的替代材料。 应该注意，典型的 Ni/Pd 镀层不能提供和 Sn 镀层 一样好的润湿性。对于面阵列封装元件，带有 SAC 焊球的元件目前市场已经有售， 而且和 SAC 焊料很好地焊接，可焊性良好。Sn 须增长问题已引起广泛的关注， 特别是对于细间距的

23、 QFP 封装元件。 Sn 须增长的根本原因是在 Sn 镀层上产生应力。有几个要素可以大幅度地减少（甚 至消除） Sn 须增长的风险： 1）灰暗的 Sn （而不是亮 Sn）；2 ）Sn 合金（甚至 合金元素百分比含量很小，而不是 100 纯 Sn）；3 ）在 Sn 下面的 Ni 阻挡层； 4）回流过的 Sn。Sn和Ni/Pd 和无铅焊料正向兼容，和Sn-Pb 焊料逆向兼容，这使得转换期 间同一工厂有铅焊料和无铅焊料情况下，管理生产线相当容易。然而 SAC 焊球 和 Sn-Pb 焊料的逆向兼容是非常可疑的。这主要由于回流峰值典型温度 205 225 （或甚至在极端情况低于 200 ），熔点 21

24、7的 SAC合金并不总是完 全和 Sn-Pb 焊料完全融化；同样地，在回流时元件很少或没有自纠正能力，而 这对于细间距元件特别是面阵列封装元件非常关键。 当回流温度足够高， 且自纠 正现象出现，越过整个界面区域发生 SAC 和 Sn-Pb 焊料混合，使用 Sn-Pb 焊 膏和 SAC 焊球的互连可靠性与使用 Sn-Pb 焊膏和 Sn-Pb 焊球的可靠性相近。图5 无铅焊中锡须增长2温度稳定性 不同的元件对焊接温度的敏感也不同，例如陶瓷电阻和特殊的电容对斜率 （温度的变化） 非常敏感，但对实际的温度并不敏感。 在另一方面， 铝电解电容， 对温度极其敏感。连接器和其他塑料封装元件（如QFP ）在高

25、温时失效明显增加（如分层、苞米花、变形等） 。粗略统计，温度每增长 10 ，潮湿敏感级元件 （ MSL ）可靠性降 1 级。7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档由于无铅焊料的熔点温度较高，焊接温度高于 Sn-Pb 焊料的焊接温度。由 于高温会对元件产生影响， 有意识地将焊接温度降低， 问题是降至多少合适？还 必须保证有足够的热能提供一个充沛的工艺窗口，使多品种产品的批量生产中， 都能保证产品的产量和质量。回流焊中，假定最小峰值温度为 235 ，最大峰值温度取决于板面的温差 T， 它取决于板的尺寸、厚度、层数、元件布局、 Cu 的分布以及元件尺寸和热容量。 炉子的热容量也是很重要的因素。拥有

26、大和复杂元件（如 CBGA 、CCGA 等）的 大、厚印制板，典型的温差 T 高达 20 25 。而且，统计上允许炉温的一定变 化。返修是另外一个工艺，它的温度还要高。对于波峰焊，由于 Sn-Pb 焊点的温度典型值已相当高，和回流焊相比，无 铅焊料的焊接温度增加值通常少一些，焊点驻留时间通常也很短（几秒） 。当所有的应用要求都被考虑， 260 的峰值温度作为无铅波峰焊元件所要求 的温度。然而，人们认识到，某些产品（如小 / 中型板），具有较小的温差 T， 低的峰值温度可能足够了， 而且这些产品上元件对温度的要求可以降低 （如 245 250 ）。通过测量板上元件的温度得到元件体实际温度， 它们

27、可能是不同的， 不同元 件有不同的温度，这取决于元件的热性能和板上所处的位置。正如 Sn-Pb 焊接 一样，在任何情况下，最少三个加热循环和 MSL1、2、3 被要求。10五、质量无铅焊料的缺陷类型，无论是回流焊还是波峰焊，都和 Sn-Pb 焊接相同， 为了达到和铅锡焊接相同的产量， 还需要进行相当大的努力减少缺陷。 在转换期 间，供应链中每一个环节必须经过这种认识转变， 这是特别真实的。 有限的生产 量（在元件、焊接材料和板方面）甚至使这种认识转变更难。无铅和 Sn-Pb 焊 接工艺比较，回流焊接可能比波峰焊接较容易达到可比的产量。 例如，通孔填充，7A 版优质实用文档117A 版优质实用文

28、档无铅焊料没有 Sn-Pb 焊料好。对于无铅焊料 PCBA 的验收， IPC610 标准仍然有效，这是大家公认的。然 而，对于技工接受性来讲， 对操作者仍需要进行无铅焊接培训， 因为无铅焊点的 外观与 Sn-Pb 焊点相比通常灰暗并呈颗粒状，很少发亮。这种外观上的差异是 由焊料合金冶金过程决定的，而不是技工水平的反应。 Sn-Pb 合金作为一个典 型的共晶微结构凝固，而 SAC 合金，尽管它是一个共晶合金，在典型的焊接条 件下，由于非平衡凝固原因， SAC 作为一个非共晶微观结构凝固，产生了灰暗 和颗粒状外观。ICT 探针能力是另一个问题，对于每一种免清洗无铅焊膏，它必须被评估。六、可靠性1电

29、化学的可靠性当板上助焊剂残渣溶解在潮湿的冷凝水中时， 在一个电偏压下电化学反应将 在导线之间发生，引起表面绝缘电阻（ SIR）的下降。如果电迁移和枝状结晶的 生长出现，更致命的失效因素形成导线间的短路而出现。 免清洗应用中， 助焊剂 残渣抵抗电迁移和枝状结晶生长的能力决定了电化学可靠性。 因为不同助焊剂体 系和较高的焊接温度，这一点需要对无铅焊料进行评估得到。无论是 IPC 还是 Telecordia 测试都能完成规定的焊膏和焊剂的评估。 然而， 应该注意的是，单个产品的应用可能具有特殊要求， 它不同于 IPC 或 Telecordia 的参数（如探针的间距和测试条件） 。2机械可靠性 无铅焊

30、料互连点在热机械负载（如热循环）和动态机械负载（如跌落、冲击、振 动、剪切、弯曲等）下的机械可靠性正被研究。在各种变化的温度下，由于系统 中如元件、焊料、基板的 CTE 不匹配，利用焊料中热循环产生的张力，焊料合 金的塑性变形和相互疲劳作用决定了焊料互连的热机械可靠性（包括 Pb-Sn 、7A 版优质实用文档127A 版优质实用文档无铅合金），这种现象对于铅锡合金而言早已广泛地被研究， 而对于 SAC 合金而 言，正在积累更多的数据。众所周知，在典型条件下，由于微观结构上的差异 （如矩阵中好的 Ag3Sn 金相）， SAC 合金比铅锡具有更多的抗塑性变形能力。在大多数应用中，已发现 SAC 焊

31、 料互连比铅锡焊料提供更大的可靠性。然而，事实并不总是如此。 NCMS 研究 发现，合金队列根据可靠性 （相对于铅锡合金） 随着热循环的条件和元件类型的 不同而变化。例如，使用 1206 陶瓷片式电容安装在 FR4 基板上，当热循环在 0 100 （斜率 10 /min ，停留5分钟）时，Sn-Pb 的可靠性类似于 Sn-3.5Ag ， 然而，当热循环在 55 125 （斜率 11/min ，停留20 分钟）时，Sn-Pb 的可靠性大于 Sn-3.5Ag ，最近的研究表明，拉力在一定门限值以下时（如 20MPa ），SAC 稳定状态的塑性应变率比 Sn-Pb 低得多；然而，在门限值以上， 情况

32、就完全不同了。这是因为在 SAC 和 Sn-Pb 焊料不同的可靠性比较，在不同 的热循环条件和不同的元件下。在大多数典型使用中， SAC 焊料比 Sn-Pb 焊料 更可靠。然而，对于非常大的元件、元件和基板的 CTE 差别很大的情况（比如 陶瓷元件和 FR4 基板），在非常严厉的热循环条件下， SAC焊料并不总是比 Sn-Pb 焊料更可靠。其他的因素，如微观结构（焊料 / 铜界面区域）上的差异，在焊料、 基板、元件之间的各自 CTE 的不同，也都产生不同的可靠性能。 另一个复杂的因素是 SAC 和 Sn-Pb 的加速度因子不同， 即在相同热循环条件下 1000 循环决定 SAC 和 Sn-Pb

33、 实际现场可靠性的不同。这很容易明白，因为加 速因子取决于材料的性能，而 SAC和 Sn-Pb 的性能是不同的。实际的加速因子 是很难确定的，而这对可靠性研究确实是很重要和当务之急的课题。 此外，更复杂的情况是在同一块板上使用不同的焊料合金 （如 SAC 用于回流焊， Sn-Cu 用于波峰焊）。另一个更深入研究的问题是无铅焊点中铅的含量怎样影响 其可靠性；这一点尤其对无铅焊接转变期间用无铅的焊膏焊接 Sn-Pb 引脚元件7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档时非常重要。也有一些无铅焊料在动态机械负载条件下的可靠性方面的研究 （12 16）。例如，已经发现 SAC焊料互连的 QFP 封装，在跌

34、落试验中，其发生失效 时已跌落的次数与引脚上的电镀层有关， 不光滑 Sn 镀层引脚的元件比 Ni/Pd 镀 层引脚的元件跌落次数多。 这种现象可根据金属间化合层 （它是易碎的） 和焊料 和元件引脚的界面总面积（它取决于润湿性）来解释。3RF在无线通讯产品中，免清洗助焊剂对产品射频信号 RF 完整性的影响是大家 关心的事情。随着 RF 频率的增加，电路中的每一个部件，如导线、阻焊层、助 焊剂残留物等， 在整个电路设计和误差范围中都需要考虑。 无铅焊料和有铅焊料 以及其助焊剂残留物对射频的影响需要更进一步研究。七、设备对于无铅焊的回流炉，大的复杂板上最小温差 T 的能力是一关键分界岭。 为了使温差T 最小，建议回流工艺的带速降低。然而，这会受到一定限度的， 不仅受到生产量要求的限制；而且受到驻留时间（ TAL）的限制，带速太慢，驻 留时间就会太长；而且还受到助焊剂耐用性的影响