电路板无铅焊接允收规范

电路板厂家中新工法的出现，凡是板面少数还必须执行PTH的插孔波焊者，似可改为通孔中先印入无铅锡膏，然后再将引脚挤入，于是只要经过一熔焊后，即可将贴脚与插脚同时焊牢。不过此种全新尝试，目前还在逐渐发展中。

图1.左图为銲点接触角大于90。接触角的示意图，右二图为球面接触角的示意图。

前言中新增者，还对无铅銲点外观目检规格加以说明，并与鍚铅者有所不同(事实上放鬆颇多）。为了减少争议起见，D版中特别附列多张彩色图样做为对比，且在右下角分别加贴黑底红圈与白字之无铅标志以示区别。而且还以两则黑点单列之条文，明白指出无铅銲点的特徵〈实际上就是的缺点），其他品质则与有铅之允收规格相同。两则条文如下：

1、表面粗糙(颗粒状或灰暗)

2、接角蜀角变大

一、无铅銲点表面粗糙

橘皮状颍粒外貌的诠释无铅銲料之主流者为锡银铜SAC305或405 ，此等三元合金在热熔或冷固之过程中，很难达到共晶共熔组成的理想状态。一般熔焊操作的温时曲线，其峰温熔焊区段的升温与降温，保持正常情况时，则降温中SAC銲料中占最多量的锡会率先自行冷却而成为枝晶（之棒状突出物，其馀仍处于液态的共晶部份，且将随后冷却而成为较平滑的区间部份。因而总体外观上将出现许多颗粒状的突起，微切片中亦可清楚见到纯锡枝晶所均匀分佈的现象。而且另外形成Ag3Sn白色板条状的IMC也是有目共睹。事实上结构中颗粒状的纯锡枝晶对强度与可靠度的负面影响不大，反而是共晶区的微裂与Ag3Sn的IMC ，却是老化中开裂的起源。

图2、左二图为有铅插孔波焊与SMT贴焊的实物画面，右二图为无铅銲点之对比外观。

图3、左为无铅焊接所呈现BGA銲点之不均质组成，

其截面向外伸出者为Ag3Sn的板状结晶，

右图是SAC銲点经特殊蚀刻而突显Ag3Sn与Cu6Sn5之画面

二、无铅銲点出现异常时的允收规格

镀通孔插脚波焊焊后发生吹孔，或SMT贴銲点呈现见底的针孔， 或外表之凹陷者，只要銲点尚能符合其他品质要求，则Class1可允收。但Class2与3却须视之为"製程警讯"。读者请注意，从品管与改善之原则看来，发生製程警讯时，客户方面必须见到改善方案与执行决心后，才能对现品考虑允收，是故『製程警讯』反而成了更为严肃的整体性问题。

图4、此五图中之1.2.3为典型之吹孔与针孔；而4与5则为銲点之表面凹陷。

图5、左图两引脚间已沾著大型之短路锡球，右图为众多扩散式的小锡球

图6、上二图为引脚间明显的搭桥短路，下二图为拖锡与锡网等严重异常。

液态无铅銲料流动性不足的诠释：

若将焊接峰温针对銲料熔点所高出的温度落差，解释成为"火力"或流动性时，对锡铅熔焊而言其火力平均为42℃ ，锡铅波焊平均可达67℃。但由于无铅銲料的熔点已较锡铅上升了 34℃或44℃，为了防止零组件与板材被强热所烫伤起见，只好将无铅熔焊与波焊的火力减弱为28℃与48℃。如此一来在火力不旺流动性变慢以致黏滞度增大下，当然就容易发生搭桥短路的诸多缺点了。

而且无铅波焊之锡池中，一旦铜污染量超过0.1%by wt时，则池中銲料的m.p还将再上升3℃。在不敢相对拉高峰温下，无铅焊接所需的火力当然就更为不足。此种液料动作之迟滞难免会发生拖泥带水的现象，于是各种狼狈不堪的锡桥锡网，等诸多不够乾淨俐落的严重缺点，也都一一现形。在无法除铜下只好添加纯鍚对铜污染予以稀释。

无铅波焊的焊温已高达265-270℃，对PCB板面上的各种铜件伤害极大。由于其熔（溶）铜速率加快与铜污染增多下，造成熔点上升流性而更加变慢下，不但板面遍佈破碎残锡外，而且銲点中与鍚池中所多的铜份，还会生成Cu6Sn5的针状结晶IMC。此种异物经由马达的扬波带出后，每每使得板面呈现荆棘满地与遍佈针状结晶的惨景，其后续还会引发更多的灾难。看样子无铅波焊快要走到了尽头，实在玩不下去了 。

图7、左为有铅焊接领域其峰温与火力的说明，右为无铅火力不足的图示表达。

当銲料已不再是共晶共熔之组成者，则热熔与冷凝过程中一定会出现浆态。此种固相与液相并存的状态，事实上相当不稳定，一旦自动输送中受到振动抖动等外力干扰时，不但局部銲料〈指纯鍚部份）会快速凝固形成骨状枝晶，或者出现应力条纹等明显外观；其表面有如青筋曝露血管突起之形貌者，特称之为"扰銲"。无铅銲点原本表面就已不够平滑，但若出现应力条纹太多又过份明显者，仍然是扰焊所致，三级板类仍均视为缺点。

至于表面贴装銲点的开裂，其原因也多半出自软弱浆态的时段中，遭到了过大应力的衝击，进而造成无铅銲点冷却后的开裂。三级板类均视之为缺点。此等拖泥带水的缺点在目前锡铅銲料中，也偶而会发生在波焊后的板面上，主要还是由于火力不足，流性迟缓，以致黏度增大所造成。

图8、从此D版三图中均可清楚看到发生应力线的外观。

图9、此D版二图均可见到銲点开裂的外观。

图10、波焊发生锡尖，主要原因就是火力不足与黏度太大所致。

由于PCB板厚Z方向的热胀系数（CTE)，在无铅波焊的强热下平均达55-60 PPM/℃，而无铅銲料本身的CTE却仅只20-25 PPM/℃而已，以致尚未焊牢时就被CTE的差异所拉裂了 。若不幸无铅焊点中又出现铅污染或铋污染时，则还更是落井下石惨上加惨，有时焊点较牢者连铜环的外缘也被拉起。D版对于无铅波焊朝上之主板面浮裂者，三级板类均可允收。

事实上IPC各种规范均未涉及单面板的品质，主要原因是美国PCB与PCBA两大业界，多年来已不再生产单面板与单面板组装的产品，有所需求的美国品牌商，只要向亚洲业者购买最终之整机成为自已的品牌即可。因而单面板工艺所需的技术与品质文件都一向付之阙如。

图11、左为无铅波焊后第二面上銲环浮裂的现象，右为銲点开裂过大的外观

由于无铅銲料多半难以达到共晶组成，因而銲点在冷却固化的过程中，首先大部份纯锡会率先固化而成枝晶。此种高温中众多纯鍚枝晶间，尚存在高黏度的液态共晶式合金。一旦此种固液并存的浆态其维持之时间太长，或受到颇大外力振动干扰时，其最后待冷中央的液体部份，会形成强烈快速的冷却收缩，进而出现所谓的收口。

D版对此种无铅焊接裂缝颇大收口（见上图右）的允收规格是：銲体裂口尚未太深仍可见到锡底；亦或此种裂口尚未触及到引脚、銲垫或孔铜壁等基底者，则仍可允收。倘若无铅銲点之收口或裂口已见不到锡底，或已直接碰触到引脚或銲垫者，则仍然视为缺点。至于有铅焊接者，其銲点一向不允许出现收口或热裂口 。