电路板无铅焊接的隐忧：焊环浮裂与引脚锡须

前面一篇介绍了电路板无铅焊接中任意出现的焊点空洞，本文将介绍电路板无铅焊接中的另外两种隐忧：焊环浮裂与引脚锡须。
SAC所形成的焊点与PCB之间还将存在更多的应力，而此应力又将是波焊后其焊点填锡浮离的主要成因。
零件脚必须先要做上可焊性之皮膜，对于无铅製程之实战性皮膜而言，目前只有电镀纯锡层可用。焊接后全未沾锡的上半引脚，其后续老化过程中一定会生须，而且还都是危险的长须；连高锡成份的焊点本身也会生出矮胖的短须，程度上自不如前者那麽严重。从多量的焊点切片看来，无铅焊接在空洞方面，的确要比目前的有铅焊接要来得严重。而波焊后焊点从铜环上的浮离，或连带孔环也从基材上翘起，都极少在有铅焊接中发生过。至于锡须则几乎已成为高纯度镀锡与焊锡难以避免的宿命，本文将针对此二项与焊接有关的缺点加以探讨，期能在排解困难与预防方面有所助益。
有铅共熔合金之波焊时，倘若锡池中发生铜污染时，则其IMC某些位置也会朝向焊点射出Cu6Sn5的针状结晶，对焊点强度亦将形成负面影响。

图1、有铅共熔合金之波焊时，倘若锡池中发生铜污染时，则其IMC某些位置也会朝向焊点射出Cu6Sn5的针状结晶，对焊点强度亦将形成负面影响。
一、焊环浮裂
无铅波焊(例如S A C 305)约在260一2 6 5℃的峰温下，经历约4秒以上的焊接反应，其随后的固化过程中，经常会发生：（1）填锡主体自铜环表面的浮起，而且板子上下两面焊环都会浮裂；(2)甚至连带铜环也一併自树脂基材表面上浮离(Pad Lifting) ；(3)插脚焊点填锡的撕裂(Hot Tearing) ；等三种差异不大的劣质焊接情形。现将其可能成因说明如下：

图2、此二图均为无铅波焊后经常发生的孔环焊点浮离。
（一）、铅污染与含铋焊料之填锡浮起
当进行无铅焊接时，在焊料、零件脚、与焊垫等三种参与成员中，都必须要达到全部无铅才行。否则任何一方面含有铅量时，都将会造成铜锡介面互熔结合处的不牢，进而发生固化后容易开裂的“铅污染”负面效应。此乃由于无铅焊点 。中一旦出现少许的铅份，则焊接反应的锡铜I M C产生过程中，铅会加速的朝介面移动，进而妨碍了Cu6Sn5，良性IM C的生成，以致无法形成强力的焊点。
此二图均为无铅波焊后经常发生的孔环焊点浮离

图3、焊接三成员（焊垫、焊料、零件脚）在进行无铅製程时，均不可含有任何铅份，否则将催使少许污染的铅量，在高温波焊中迅速朝向铜面移动，进而妨碍六铜五锡IMC的形成，最后终将形成浮裂。
此点与含铋焊料出现的“铋裂”(B i s m u t h S e g r e g a t i o n)在机理上颇为相似，所差异处只是后者液态焊点中，少许离群的铋量，却是出自S n／B i~却的枝状固体时，被该固体所赶出在外的游离份子，进而朝向铜垫表面移动并阻止了Cu6Sn5的形成，亦经常发生“填锡体”(Fillet)与铜面的分离。
左图说明含铋之焊料，在其枝状固体形成的瞬间，会赶出少量用剩的铋，此种游离铋也会朝向铜垫面移动，形成恶名昭彰的铋裂。

图4、左图说明含铋之焊料，在其枝状固体形成的瞬间，会赶出少量用剩的铋，此种游离铋也会朝向铜垫面移动，形成恶名昭彰的铋裂。
其次由于无铅焊接的高温与长热，造成Cu6Sn5层的增厚(一般正常I M C只有2-3μm)，此种铜层大幅流失的现象，很容易在切片上看到。I M C太厚了其结合强度与后续使用寿命当然也随之减少。
（二）、铜环浮离(Pad Lifting)
当焊环宽度变窄与板厚增大时，其焊后冶却收缩的过程中，会见到焊料在XY方面的热胀系数(CTE)超过板材，而板材却又在Z方向的CTE大于焊料；两种恶势力的合作下，难免将造成铜环自基材表面的浮离。此种遭受强大热应力(Thermal Stress)而发生的浮环异常,早巳在业界时有发生并不稀奇。
左图说明电阻器本体，焊点，铜垫，板材等四者热胀系数CTE的差异， 在高低温老化过程中难免不会发生铜垫的浮裂。右为在对热应力试验后所允收的孔环浮离。

图5、左图说明电阻器本体，焊点，铜垫，板材等四者热胀系数CTE的差异， 在高低温老化过程中难免不会发生铜垫的浮裂。右为在对热应力试验后所允收的孔环浮离。
无铅焊接过程中的热量(温度×时间)大增与热应力剧扬下，难免不会发生孔环之浮离。此种铜环浮离的现象一般在波焊的焊接面，都要比非波焊的零件面要来得更严重。不过话又说回来了，这当然还要与铜箔在板面上的附著力有著最直接的关系。提升环氧树脂的T g减少其Z方向的C T E，将可取得某些避免浮环的效果。然而一旦板子必须通过多次焊接，此种浮环现象还是难以全免，幸好对于产品实际用途还不会造成太大的失效或障碍。
不过，前文填锡之浮起或此处焊环之浮离，均可採用【绿漆上垫设限】(Solder Mask On Pad Or S／M Definin g)的方式，在减少焊接面积降低热量下而得到避免。日本业者即常在无铅焊接中使用此种技巧。事实上现行B GA或C S P等封装载板(S ub S tr at e)的植球，早巳实现这种理念，并利用黏性助焊剂(Ta C kyF 1 u X)，在电镀镍金的垫面上进行热熔式植球工程。使得B GA／C S P等封装成品续在P C B板面上贴焊时，也还可减少原始植球接点处的裂开。
左爲绿漆与铜环之间留有空距的一般设计法，右图爲绿漆爬上铜环外S／M On Pad的设计法，但施工却不容易

图6、左爲绿漆与铜环之间留有空距的一般设计法，右图爲绿漆爬上铜环外S／M On Pad的设计法，但施工却不容易。
左爲63/37锡球之细腻结晶微观；右爲无铅SAC405锡球之粗糙结晶画面。

图7、左爲63/37锡球之细腻结晶微观；右爲无铅SAC405锡球之粗糙结晶画面。
（三）、焊点撕裂
凡焊料的组成份(C O mp O S it i 0 n)偏离其共熔合金组成者(Eut e C t i C A 11 O y)，则冷却固化中都会出现对强度不利的浆态(P a S ty Ran g e)。此种危险的时段中，一旦输送中又发生震动时，其焊点结晶组织中就会存在微裂，其外表也经常呈现结晶粗糙不平滑之皱纹。且事后的老化(A g i n g)将更令其微隙持续劣化而变成巨裂。无铅焊料S A C的三元合金，连原始配方都很难达到共熔组成，何况是量产中不断受到铜份的渗入，要想完全避免焊点之撕裂．，其实并不容易。尤其某些产品还要进行多次焊接，完全保证不裂当然就难上加难了。
此六图均爲无铅焊料，经过高低温加速老化后出现的破裂情形；既然难以达共溶组成，而无法免除聚态的缺憾，则只好让生产线儘量减少震动，而避免未固化前软弱浆态中的微裂。

图8、此六图均爲无铅焊料，经过高低温加速老化后出现的破裂情形；既然难以达共溶组成，而无法免除聚态的缺憾，则只好让生产线儘量减少震动，而避免未固化前软弱浆态中的微裂。
二、引脚锡须
零件脚电镀纯锡后，其皮膜会逐渐冒出单晶式的锡原子长须，此种异常现象早在1940年代即已出现在文献中。后来197 0年间美国太空总署(NA S A)某人造卫星中之关键元件，发生因锡须而失效的严重灾情时，才引起世人对锡须的认知。其实不只是电镀纯锡层会冒出很长的锡须(2 50μm以上)，连高锡量的无铅焊料(含S n 9 5％以上)，也会长出不太危险的粗短锡锥或锡桩，只有加入重量比1 O％以上的铅量后，锡须才不再发生。
且由于无铅焊料沾锡时间(wetting Time)较长以致动作迟缓，进而造成接触角太大，常使得焊垫边缘发生露铜。且无铅焊点也因加速冷却下经常出现撕裂，下二图即为典型的实例。
左爲无铅焊接之垫面外缘露铜，右爲无铅焊焊点被拉裂之俯视外观。

图9、左爲无铅焊接之垫面外缘露铜，右爲无铅焊焊点被拉裂之俯视外观。
说明不同锡须之生长情形

图10、说明不同锡须之生长情形
（一）、锡须的成因    。
1、镀锡层之内应力
不管是光亮锡或雾状锡之镀层，无论是何种基本槽液的配方(硫酸亚锡或M S A甲基磺酸锡)，事后都会不断的长出锡须。最主要的原因就是参与共镀的有机物，与锡原子间彼此发生排挤倾轧所致，与人性党同伐异之排外情结如出一辙。然则一旦镀液中不添加任何有机光泽剂时，则只能形成粉状或须状等无用的镀锡层。有机物参与愈多镀层愈厚者，其生须也愈快愈长。此外，结晶颗粒的大小也影响生须的速度。太多小品粒者能量较高容易生须，粒径在3-4μm之间者较则为稳定。某些曰商曾发现锡层底部之电镀铜层，其生须要比压延底铜来的快，而且亦曾利用回火韧化(An n e a l i n g)之技术试图避免锡须，但也只能减缓而已。
左为无添加剂电镀锡层之原子排列示意图，右为有机物参加后的挤入情形，亦即内应力之来源。

图11、左为无添加剂电镀锡层之原子排列示意图，右为有机物参加后的挤入情形，亦即内应力之来源。
此四种锡须图是出自美国另一著名学术团体NIST之网站

图12、此四种锡须图是出自美国另一著名学术团体NIST之网站。
2、帮倒忙的铜锡I M C
铜底材直接镀上纯锡时，其介面会因彼此迁移(M i grat i o n)而形成六铜五锡的IM C，此合金共化物层会朝向表面锡层施展一种额外的推力，于是又对生长须提供了另一股恶势力。某些业者亦试曾在铜面先镀上一层底镍，意欲挡住锡须的生长，事后却发现只能减缓而无法阻止。
铜面电镀纯锡，又经长时间或高温老化后，所产生六铜五锡的IMC，也会对纯锡层发出推挤的恶势力，并自其氧化层破洞处冒出锡须。

图13、铜面电镀纯锡，又经长时间或高温老化后，所产生六铜五锡的IMC，也会对纯锡层发出推挤的恶势力，并自其氧化层破洞处冒出锡须。
3、镀锡层受到外应力
镀过纯锡的零件脚又经弯脚成型后，其内缘会发生压缩性之外应力 (Compressive Stress)，再搭配原本就存在的内应力，锡须当然就会长得又快有长了。而且NASA的研究者还发现，所长出的锡须还会受到电场电位的影响而转弯，使得危险性又再度增高。
左爲引脚弯折成形时，所发生压缩性与伸张性外应力的说明，右爲压缩外应力之位置经60℃/93%RH五周后所引发的锡须。

图14、左爲引脚弯折成形时，所发生压缩性与伸张性外应力的说明，右爲压缩外应力之位置经60℃/93%RH五周后所引发的锡须。
4、因热胀系数CTE的不铜而引发
当元件底材与镀锡层的C T E不同时，其后续热涨冷缩的热应力参与中，也会加速生须，此事实早已经过多种温度循环试验得到明証。至于只在高温放置却也会加速长出者，其原因当然是高温提供了生须的能量，而较低温者来得更快。
（二）、锡须的试验及允收    。
锡须的检测方法与允收规格，目前公认者尚未出炉，想必将来会在IP与NEM I厂，应可订定出业界众所公认的检验方法与允收规范。下列各种试验法与规格只是某些业者所曾试用过的参考资料，目前尚未取得共识：
A、自然放置：
(1)  室温(2 3℃±5℃)放置6个月o    ．
(2)  5 0℃±5℃下，乾式放置6个月。
(3)  5 2℃±5℃下，湿式放置6个月。
B、加速老化：
(1)  温度循环(-4 0个~q+8 5个，1000回合，高低温停留时间未定).。
(2)  8 5℃／8 5％RH， 1000小时o
C、允收规格：
目前尚无出现任何高明手法，可以防止纯锡镀层的锡须，而其槽液中加入少量铜(2％)，铋(3％)与银(3．5％)等，所形成与锡之各种合金电镀，都因种种困难而无法在量产中实用。致使待镀零件脚唯一能镀者，也只有纯锡而已。公认之锡须允收规格尚在研究中，某些业者暂定的规格是，所长出的锡须不可超过50μm。
左为锡须受到电场而转向的现象，右为两隻镀锡引脚，在空中因生长锡须而短路的真相。

图15、左为锡须受到电场而转向的现象，右为两隻镀锡引脚，在空中因生长锡须而短路的真相。
三、结语
无铅焊接在政治压力与商业利益交织下，目前已成为SMT贴片加工厂家势不可挡必将到来到业界的大革命。所有生产P C B之厂商与P C B A之组装业者，都将会蒙受极大的灾难。而此二业界也多半集中在亚洲，台湾与中国大陆尤其是首当其衝。届时无穷的烦恼必将伤透无尽的脑筋，最好还是先做好心理的准备，以儘量减少可能的伤害。