一個(gè)焊點(diǎn)的失效就有可能造成器件整體的失效，因此如何保證焊點(diǎn)的質(zhì)量是一個(gè)重要問題。傳統(tǒng)鉛錫焊料含鉛，而鉛及鉛化合物屬劇毒物質(zhì)，長期使用含鉛焊料會給人類健康和生活環(huán)境帶來嚴(yán)重危害。目前電子行業(yè)對無鉛軟釬焊的需求越來越迫切，已經(jīng)對整個(gè)行業(yè)形成巨大沖擊。無鉛焊料已經(jīng)開始逐步取代有鉛焊料，但無鉛化技術(shù)由于焊料的差異和焊接工藝參數(shù)的調(diào)整，必不可少地會給焊點(diǎn)可靠性帶來新的問題。接下來主要介紹，哪些原因可能會影響無鉛焊點(diǎn)的可靠性？

1、對無鉛焊料的性能要求

傳統(tǒng)錫鉛焊料因具有價(jià)廉、易焊接、成形美觀以及物理、力學(xué)和冶金性能好等特點(diǎn)而作為連接元器件和印刷電路板的標(biāo)準(zhǔn)材料，并形成了一整套的使用工藝，長期以來深受電子廠商的青睞。但由于鉛及鉛化合物對人類健康和生活環(huán)境的不利影響，限制和禁止使用含鉛焊料的呼聲日益高漲，各國政府紛紛制定相應(yīng)的法規(guī)約束電子產(chǎn)品的使用材料和廢棄物的處理，電子封裝的環(huán)境友好化要求已成為全球趨勢。因此目前電子行業(yè)全面面臨無鉛化的要求，已經(jīng)對整個(gè)行業(yè)形成巨大沖擊。近幾年無鉛焊料迅速發(fā)展起來，最常用的是Sn-Ag-Cu系列。

2、影響無鉛焊點(diǎn)可靠性的因素

與傳統(tǒng)的含鉛工藝相比，無鉛化焊接由于焊料的差異和工藝參數(shù)的調(diào)整，必不可少地會給焊點(diǎn)可靠性帶來一定的影響。首先是目前無鉛焊料的熔點(diǎn)較高，一般都在217℃左右，而傳統(tǒng)的Sn-Pb共晶焊料熔點(diǎn)是183℃，溫度曲線的提升隨之會帶來焊料易氧化及金屬間化合物生長迅速等問題。其次是由于焊料不含Pb，焊料的潤濕性能較差，容易導(dǎo)致產(chǎn)品焊點(diǎn)的自校準(zhǔn)能力、拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等不能滿足要求。以某廠商為例，原含鉛工藝焊點(diǎn)不合格率一般平均在50×10-6（0．05％）左右，而無鉛工藝由于焊料潤濕性差，不合格率上升至200×10-6～500×10-6（0．2～0．5％）。

鑒于無鉛化焊點(diǎn)可靠性方面目前仍存在許多問題，有必要對此進(jìn)行分析。無鉛焊點(diǎn)的可靠性問題主要來源于：焊點(diǎn)的剪切疲勞與蠕變裂紋、電遷移、焊料與基體界面金屬間化合物形成裂紋、Sn晶須生長引起短路，電腐蝕和化學(xué)腐蝕問題¨等。以下我們主要從設(shè)計(jì)、材料與工藝角度介紹影響無鉛焊點(diǎn)可靠性的一些因素。

（1）設(shè)計(jì)：PCB的合理設(shè)計(jì)問題。如焊盤設(shè)計(jì)不合理、發(fā)熱量大的元件密集分布、相鄰高大元件在回流焊時(shí)產(chǎn)生“高樓效應(yīng)”、形成熱風(fēng)沖擊等。

（2）材料：焊料的選擇極為重要。目前，大多采用錫銀銅合金系列，液相溫度是217℃-221℃，這就要求再流焊具有較高的峰值溫度，如前所述會帶來焊料及導(dǎo)體材料（如Cu箔）易高溫氧化、金屬間化合物生長迅速等問題。因?yàn)樵诤附舆^程中，熔融的釬料與焊接襯底接觸時(shí)，由于高溫在界面會形成一層金屬間化合物（IMc）。其形成不但受回流焊溫度、時(shí)間的控制，而且在后期使用過程中其厚度會隨時(shí)間增加。

研究表明界面上的金屬間化合物是影響焊點(diǎn)可靠性的一個(gè)關(guān)鍵因素。過厚的金屬間化合物層的存在會導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂、韌性和抗低周疲勞能力下降，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)的可靠性降低。以當(dāng)前最為成熟的Sn-Ag系無鉛焊料為例，由于熔點(diǎn)更高，相應(yīng)的再流焊溫度也將提高，加之無鉛焊料中Sn含量都比Sn-Pb焊料高，這兩者都增大了焊點(diǎn)和基體間界面上形成金屬問化合物的速率，導(dǎo)致焊點(diǎn)提前失效。

另外，由于無鉛焊料和傳統(tǒng)Sn-Pb焊料成分不同，因而它們和焊盤材料，如Cu、Ni、AgPd等的反應(yīng)速率及反應(yīng)產(chǎn)物可能不同，焊點(diǎn)也會表現(xiàn)出不同的可靠性。同時(shí)焊料和助焊劑的兼容性也會對焊點(diǎn)的可靠性產(chǎn)生非常大的影響。有研究表明：焊料和助焊劑各成分之間不兼容會導(dǎo)致附著力減小。此外，由于熱膨脹系數(shù)不匹配，又會加快焊料周期性的疲勞失效。因此要特別注意選擇兼容性優(yōu)良的焊料和助焊劑，才能耐受住無鉛再流焊時(shí)的高溫沖擊。

另外，各互連焊接部件均來自于不同生產(chǎn)廠商，因而部件質(zhì)量難免參差不齊，如器件引腳可焊性不良等，對無鉛工藝焊點(diǎn)可靠性有較大影響。比較典型的例子是．PCB板焊盤質(zhì)量問題。由于以前的熱風(fēng)整平（HASL）焊盤涂層工藝存在一些缺點(diǎn)，因此目前OEM廠商應(yīng)用較廣泛的包括有機(jī)可焊性保護(hù)層（OSP）和Ni／Au涂層工藝。

其中Ni／Au涂層又有浸金法和鍍金法兩種，浸金法由于工藝簡單而較受國內(nèi)廠商青睞，但此法難于控制Au層厚度，常會出現(xiàn)Au層厚度不足導(dǎo)致其下的Ni層氧化，影響回流焊接時(shí)焊點(diǎn)的性能。對于此種情況，廠商一般可用俄歇電子能譜儀（AES）精確測量PCB焊盤的Au層厚度是否符合規(guī)格。

（3）工藝：在SMT、MCM制作工藝過程中，通常會遇到諸如焊料儲存溫度不當(dāng)、焊盤焊料不足、再流焊溫度曲線設(shè)置不當(dāng)?shù)葐栴}。就無鉛焊接而言，再流焊工藝溫度曲線的優(yōu)化至為重要，優(yōu)良的工藝既可保證形成高可靠性的焊接，又保持盡可能低的峰值溫度。

因此，目前除日本以外，其他國家的消費(fèi)電子公司似乎都接受了錫銀銅合金系列，合金中銀所占比例為3．0％～4.7％，銅為0．5％-3.0％。不同成分的合金熔點(diǎn)相差不大，基本上在217℃-221℃之間，而錫鉛合金（63％的錫和37％的鉛）的液相溫度是183℃，兩者相差34℃。

因此嚴(yán)密監(jiān)控再流工藝中的關(guān)鍵變量，如峰值溫度、高于液相溫度的時(shí)間、浸漬時(shí)間、浸漬溫度以及由于選擇焊劑和焊膏而引起的斜坡速率，以確保再流焊過程保持1．33或高于1．33的Cpk。另外需注意的一點(diǎn)是含Bi無鉛焊料的使用問題。研究發(fā)現(xiàn)，含Bi焊料與Sn-Pb涂層的器件接觸時(shí)，回流焊后會生成Sn-Pb-Bi共晶合金，熔點(diǎn)只有99．6℃，極易導(dǎo)致焊接部位開裂的發(fā)生。因此對含Bi無鉛焊料的使用需注意器件涂層是否為Sn-Pb涂層。

另外，關(guān)于無鉛焊接工藝中出現(xiàn)的空洞問題。空洞是互連焊點(diǎn)在回流焊接中常見的一種缺陷，在BGA／CSP等器件上表現(xiàn)得尤為突出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及測量方面的差異性較大，至今對空洞水平的安全性評估仍未統(tǒng)一。有經(jīng)驗(yàn)的工程師習(xí)慣將無較大空洞（小尺寸的空洞體積之和不超過焊點(diǎn)體積的0．5％）、空洞比例低于15％～20％，且不集中于連接處的空洞歸于回流焊接中常見的一種缺陷，并認(rèn)為是可以接受的；

另一方面，按照Motorola的研究結(jié)果認(rèn)為直徑3μm～5μm的空洞事實(shí)上能提高焊點(diǎn)的長期可靠性，因?yàn)樗谝欢ǔ潭壬峡梢宰柚购更c(diǎn)中裂紋的擴(kuò)展。但一般認(rèn)為大的空洞，或空洞面積達(dá)到一定比例后會給可靠性帶來不利影響。

因此，在無鉛焊接中，空洞仍然是一個(gè)必須關(guān)注的問題。在熔融狀態(tài)下，Sn／Ag／Cu合金比Sn-Pb合金的表面張力更大，表面張力的增加勢必會使氣體在冷卻階段的外溢更加閑難，使得空洞比例增加。這一點(diǎn)在無鉛錫膏的研發(fā)過程中得到證實(shí)，結(jié)果顯示使用無鉛錫膏的焊點(diǎn)中的空洞數(shù)量多于使用錫鉛錫膏的焊點(diǎn)。大的空洞和一些小的球形空洞是由于助焊劑的揮發(fā)造成的，錫膏中助焊劑的配比是影響焊點(diǎn)空洞的最直接因素，因此無鉛錫膏仍有很大的改善空間。