无铅焊接出现问题原因分析和改善对策

无铅焊料不仅成本较贵，焊接温度攀高(平均约30℃)，而且其焊点强度方面，也远不如现行共熔合金Sn63／Pb37之可靠。不管波焊或熔焊，无铅焊点都会经常出现空洞(VoidS)、漏焊(Skip)、锡球(SolderBa11)，搭桥(Bridge)、立碑(TombStoning)等缺点，比起正统锡铅者当然要严重很多。以下即就某些常见的明显缺失，详细加以说明。
现役锡膏所熔焊成的焊点，其脚尖焊性困难区仍可能会出现空洞

图1．左上图为SnPb现役锡膏所熔焊成的焊点，其脚尖焊性困难区仍可能会出现空洞。上右为某种SnAgCu无铅锡膏所得到的焊点，下两图则为另二商品化锡银铜之锡膏所形成的焊点，大体看来品质还算不错。
一、高温对板材与元件所带来的衝击
由於各种无铅焊接之熔点与焊温，平均要上升30，C以上，且预热时间与焊接时间也会随之增长，难免会对零组件与板材带来很大的衝击。例如电解电容器(Electr。lyticCapacit。rs)即很容易遭到热伤害，某些塑胶封装的IC本体(如PBGA类)也常发生爆米花(Popcorn)式的龟裂或变形。至於长时段高温后的板弯板翘，更将是司空见惯俯拾皆是。有时连绿漆也会变软，以致所產生的锡球锡碎也为之额外增加。外观即使还过得去，其功能上的障碍亦在所难免。而且此等高焊温与长焊时的无铅焊接，恶劣者甚至可能造成目前含卤板材(环氧树脂含臭之重量比约20％以上)的裂解，更糟时还会出现巨毒戴奥辛(Dioxin)的风险。因而无铅焊接还必须配合无臭高Tg板材的同步上线，方不致功亏一簣为德不卒。其实无铅焊料也并非绝对无害於环境，所加入的锑与银含量亦无法通过EPA之溶出试验。

图2。无铅SnAgCu波焊(275<℃)之焊温已较现役SnPb者(250℃)高出20—30℃，且预热时间也须延长。

图3．此为现役Sn趵锡膏与无铅锡膏之两种熔焊，在峰温与焊时方面的比较，后者峰温已达250~C，时间也延长到50秒以上
二、通孔波焊容易发生环面焊点浮裂
通孔中插脚经波焊后，其引脚与焊环之间所形成的无铅填锡体(Fillet)，很容易会从铜质焊环表面向上翘起浮离；以含鉍者最糟。通常该等焊点之愈外缘处裂口最大。经过许多业者针对其各种失效机理之深入分析，可从下图及图说中窥得一二。

图4．此图即为无铅焊料波焊后其通孔焊环面填锡体所发生”浮裂”(Fi11etLining)之情形。原因是出自无铅焊料在X与Y方面的热胀系数(TCE)大於PCB；而电路板在Z方向的TCE又超过无铅焊料，於是冷却收缩中双重剪应力(ShearForce)两害相逼之下；又加上液化熔点(LiquiduSPoint)与固化熔点(SolidusPoint)之间的不良浆态范围(PaStyRange)甚宽，以致延迟固定等各种负面效应的累积，造成此种前所少见的特殊缺失。幸好经过各种可靠度考验后，此种浮裂还不至进一步恶化。在无法彻底避免前，於是就有人提出乾脆一律视为正常算了。

图5．此三图即为”Bi-Segregation”失效的过程说明。左二图表示降温接近固化点时，含鉍焊料的某些侷部份区域，会从浆态先行硬化而成为固态，形成鱼骨状的Dendrite，同时还会将鉍原子赶出到邻近尚处於液态的焊料中。当铋接近铜面时还会进一步妨碍铜锡之间良性IMC的形成，终而减弱了介面的固著力而出现所谓的铋裂。右图一说朗无铅焊料舆铜垫间生成“多鉍”（Bi—RiCh)的不良薄层后，又加上焊料与板柏两者收缩中剪应力的双重打击，於是造成了垂直的浮裂。
目前已研究出解困的方法有二：其一是焊后之降温刻意加速冷却之；其二是锡鉍之外再另加第三或第四种金属。此等手法不但可使得焊点合金的微结构(MiCroStruCture)更为细腻化，还可对此种Bi—Segregation的致命伤予以降低，并更能减少鉍成份往铜体移动的趋势。
三、无铅焊料不可匹配现行有铅之喷锡处理
凡採用无铅焊料时，其板面焊垫或零件脚等，所有表面之可焊处理层均不可含有铅份。否则焊点将因少量之厂铅污染』，进而造成子L环焊点的浮离。原因是焊接中少许铅量也会往铜介面处移动，在Cu。Sn，良性工MC的不易形成下，将很容易出现浮离裂口(见前图2。之右下小图)。
且含鉍者尤其对铅污染非常敏感，因此等铅污染会使得焊点组织中形成Sn-Pb-Bi三相共熔之侷部结构，进而会带来焊点强度不足的隐忧。下左图为热震盪(ThermalSh。Ck)前的微晶结构，右图为热震盪后的微晶结构。此种共晶式强度不足的缺失，加入2—3％的锢（Indium）即可得到改善。

图6．无铅焊料中含鉍者，固然可拥有熔点降低及价格便宜的好处，但其缺点除了会发生“鉍裂，之外，经过热震盪后还会发生粗大不良的冉结晶，以致焊点可靠度也为之不足。
四、表面贴装元件(SMC)熔焊之浮裂与空洞
採用无铅锡膏对SMC进行热风或热氮气之熔焊(Ref1oWSo1dering)时，其焊点强度也不够好，同样也会发生类似波焊之焊点浮裂情形(Fi11etLifting)。不过其失效原因与通孔环面之浮裂者并不完全相同，而是出自於板弯板翘所形成外力的进裂(RuptureS)所致。当然含鉍无铅焊料之固化过程中，鉍含量会往铜面迁移的恶行，已公认是固著力不足无法抵赖的真正原因。再者SMC本身大小不同且又与板面相差很大，致使其等热容量(ThermalCapaCity)也极为悬殊。凡温差梯度愈大者，其焊点强度也愈必定糟糕，反之亦然。故採用无铅焊接之SMT者，必须要设法降低板面与元件之间的温差，才可舒缓焊点强度不足的苦恼。

图7．此二图为表面贴装元件，其焊点强度与可靠度之破坏性检测方法之示意图。此种破坏性之式最常用於BGA式之球脚元件。
最常见【锡银铜】无铅焊料之比重为7．5，现行之锡铅(63／37)比重为8．4。比重变轻了，使得液态时的表面张力也随之增大，因而所形成的空洞也自然会多一些。但从X—Ray的检查中，【锡银铜】所出现的空洞仍比其他无铅焊料还要少，这也是锡银铜被眾所认同的优点之一。
五、无铅焊料容易造成板材的CAF问题由於无铅焊接之温度已高出3。℃，且又因现行免洗助焊剂之活性不足，而不得不改用非挥发有机物之水溶性者(VOCFreewaterBaSed)，於是高。热久留又加上活性较强的化学作用之下，其水火夹攻下很容易会使板材发生“玻纤纱阳极性漏电”(CopnduCtiVeAnodiCFi1ament)的后续痛苦。此所谓CAF者系指电路板中电位不同的两导体(即指已有偏压存在)，若又被同一束玻纤纱所搭连者，在高温高湿与偏压恶劣环境所摧残下，常会发生铜导体的腐蚀，进而出现铜盐由阳极往阴极迁移而漏电之不良行为，即谓之CAF。日本业者提早採用无铅焊接，因而在板材之CAF问题上也最先受害，目前已悉数要求全用Anti啊CAF的板材了。

图8．此为台湾ISo]a公司所提供CAFGrowth(红色部份)的示意图与原文之内容说明，对CAF发生经过之瞭解颇有助益。不过目前台湾基板业者所进行之CAF试验皆为日式规格，并非美式背板之高阶规范，且工PC亦尚未具备完整之试验方法。
解决办法是避免使用强活性松香RoSin的水性F1uX，儘量降低焊温。等，然而对於无铅而言，这都将是遥不可及的虚幻目标。最好是还是改用Anti—CAF品质良好的板材，以彻底解决无铅的头痛问题。
无铅焊接的板材中除了上述的CAF问题外，板面上彼此相邻两导体之间，也另会发生铜盐的迁移行为，而出现树枝状的生长与蔓延，此即另一种恶名昭彰的DendSiteS。

图9．当板面相邻之两导体，若处於高温高湿及电解质的环境中，且两导体之间又存在著电位差的偏压(BiaS)时，则在板面上很可能会出现如树枝状的DendriteS，其破坏绝缘性的后患可想而知。
六、无铅焊点表面粗糙，抗疲劳强度不足
一般无铅焊料所形成的各种焊点较易氧化，不但外观会呈现粒状昏暗无光的形纹，而且晶粒粗大结构粗糙，抗疲劳性(FatigueLife)亦远逊於Sn63／Pb37，其主要原因就是含锡量太高所致。有效的解困的办法是焊接后加速焊点的冷却，如此将可使结晶变细，外表也变的更为平滑光亮，。是故使用无铅焊料的各式焊接机具，其焊后必须改採高速率之冶却系统，以提升无铅焊点铅焊点的可靠度。

图10．上二实像图为95．5Sn／3．8Ag/0.7Cu之锡膏焊点，由於含锡量太高，不但外观不亮而且表面也非常粗糙。下二图为相同之无铅式锡膏，但焊后冷却速卒不同，导致晶大小也有所差异。
七、锡须问题TinWhisker
（一）、压缩性内应力为生须的主因
由於各种无铅焊料或某些无铅表面处理层的含锡量都偏高，经过长时间老化后即容易在密集线路之间发生“锡须”短路的困扰。1998年秋美国NASA曾发现轨道中的商业卫星，其某一Re1aY即出现过锡须的问题。由经验可知，电镀纯锡的后续使用岁月中几乎一定会生须，尤其是光泽性电镀锡，几乎是立竿见影绝无侥倖。妙的是只要加了铅含量10％以上时，经验中即可防止此种致命的缺点。将来铜面上各种高锡量的无铅焊料，想要避免锡须恐怕就不太容易了。
多位专家追究其根本原因时发现，几乎可以确定厂应力，是生须的主要原因。一旦焊料或表面处理层中掺人有机杂质而影响品格正常发展组成者，即将会存在压缩性的内应力(ComPressiVeInnerStress)，且愈厚愈糟。锡须的发生其实就是一种“释放应力”的行为，有时连绿漆底下或护形漆(ConformalCoating)覆盖区也照长锡须不误。另一根本原因(RootCause)是当铜份渗入锡体形成Cu6Sn7的工MC之际，同时也造成纯锡原子被排挤出去，於是就逐渐而形成锡须(见后图34)。
表11．镀锡层中有机杂质与外来应力对生须长度的影响

以光泽性电镀锡为例，由于有机物参与镀层甚多，早已成为生须的第一一要犯。至於半光泽的tinSn虽然生须的趋势已大为减少，不过一旦遭受外来的压缩应力时，则二者皆难逃厄运。

图12．由左图可知光泽锡镀后5个月，即开始快速生须，而缎面半光泽锡则未见生须。但由右图得知几遭到压缩性的外应力后，两者皆会生须。
（二）、加镀底镍与回火后不易生须
常见的锡须是一种单晶的成长，直径约1—5μm，长度有时可达10mm，有时会生长好几年之久。只要在50℃与RH50％以上的加速老化环境者，就会长须。业者也发现若铜面先镀有底镍(1．5μm以上)层时，则绝大部分锡须问题可迎刃而解。原因是镀锡层本身结晶片会呈现“伸张性应力”(TenSiStresS)，并又阻挡厂剑司份往锡体中的迁栘，于是就不再发生锡须。然而最近Motoro1a与Ship1ey又发现即使有了底镍镀层，仍然还会生须，只是时间忍耐较久而已。

图13。左图为电镀锡铅之处理再经锡银铜(3.8Ag／0.7Cu)之锡膏熔焊，之后又再经一55℃一85℃之500次温度循环后，所出现的锡须情形。右图为Cu6Sn5之IMC挤向面锡层而出现锡须的初步。此二图均为Motor0la在ECWC2003所发表者。
近来著名通讯大厂LuCent研究者们发现，Cu6Sn5，的工MC层会有一种往面锡层挤靠的趋势，因而容易迫使纯锡层生须(见图18)，但镍面的Ni3Sn4的IMC层，却呈现往底镍层进逼的行为，因而较不易生须，然而老化过久者还是无阻止生须。
有时TinWhiSkers会出现各种不同的形状，如Filament，Nodu1e，C0lumn，Need1e，或Mou11d(丘状)等，严重时将会造成短路的问题。通常电镀光亮锡时(硫酸亚锡)，最容易发生锡须而且还会不断生长，至於雾面锡(Matte7in，或称SatinBright缎面锡)之结晶较为粗大及稳定，而厚度又不超过10μm时，其发生的机会将大为减少，也较易达成平衡而不至继续生长。目前解决方案还不多，可将完工的镀锡层另在170℃高温中回火(Annealing)1小时，多半可使症状消除。不过此法却也会使IMC长的更快，其实也并非良好的对策。

图14.左二图说明当晶粒的尺码(GrainSize)介於2—5微末之间时，则结构较稳定生须现象较少。但当右图中之粒度缩小到l／Jm以下时，其结构中之内应力将开始累计，而使得生须的潜力人为增加。此种内应力的彼此挤压下，会出现再结晶的效应，进而逐渐发生锡须。

图15.左二图为光亮镀锡之生须，未受外应力者四个月可长到245μm，受到外来压缩应力者四个月竟长到312μm多。右二图为雾面镀锡之生须，未受外力者两个月长到7μm，受到拉伸应力(TensileStress)者两个月后亦长列12μm，以上皆~LucentTech~的研究。

图16．电镀锡过程中其锡原子沉积的表面，若已呈现螺旋型的差排(SCrewDisl。Cati。n)者，於是新登陆的锡原子就只能按差排线的方向著落在有缺陷的结晶格子上，此种潜在性的内应力，就成锡须的主因了。
（三）、愈厚愈老化愈生须
纯锡镀层愈厚时，有机物杂质愈多，内在压缩应力愈大，当
然就愈容易生须。產生Cu6Sn7不均匀性的IMC层，且又出现往面锡层推进的现象者，当然一定定会生须。不过若面锡表层已累积了氧化锡层时，几可阻止锡须的冒出。然而一旦尚存在纯锡的破绽处，则一定会自该处破土而出！（见图18）

图17.此为电镀纯锡其现场立即监测内应力所得之结果，明显可看到当光泽锡的厚度愈厚时，其压缩应力(即内应力)也愈大。至於缎面半光泽锡虽在电镀的当时未见内应力，但老化后仍难逃厄运。

图18.铜面直接镀纯锡时，老化中将会產生Cu6Sn5的IMC,此IMC层会往面锡层產生一种挤靠的作用，进而逼迫纯锡层挤出锡须。且只会从表面无Sn。薄膜的缺口处不断长出。
为了预测纯锡层是否会生须的问题，欧美日三方业者正在研究可能模拟仿真的方法，如高温的加速老化，或温度循环试验等。至于自然老化，则目前尚未订定出最适宜的对比做法与允收标準，
统计文献中各种之事实发现与原因追究，可将锡须生长的机理整理如下，以供读者参考：
◆镀锡层本身出现内应力亦即残余应力者，将造成原子间彼此排挤压迫，进而持续性的推出一个单晶，以减除所存在的压力。通常光亮镀锡要比雾状镀锡更易生须
◆甚至外来机械应力，尤其是压缩性应力，也会造成锡须。
◆铜面直接镀锡者，当界面形成Cu6Sn5的IMC之际，将对面锡造成压力，也会将锡须不断的挤出去。而且IMC的形成越不均匀越为老化时，则越容易生须。
至于其他原因仍尚待继续研究
八、结论
无铅焊料不但要来而且还会来的很快，在“客户永远是对的(CuStomer is a1ways right!)生意原则之下；出钱者老大的态势，再加上欧美客户先天优越的心理因素；关键时刻黄皮肤的代工者，想据理力争争挽回颓势，其成功机会岂非缘木求鱼面杖吹火呼？
好在一般读书不多的欧美洋客，只是在英文表达方面确实高於无铅焊接之全新製程，不但基本知识涉及甚少，深入技术原理不懂，实务经验方面当然更是不知所云。然而其於拒收时高姿态的嘴脸，与其肤浅固执之认定，确实今人难以消受。饱经洋气之餘还须小心服侍，希望能在高抬贵手下顺利出货换回银子。此时，除了机智、礼貌外，业者对於焊接基本原理的学习，对於无铅焊接整体的熟念，对于前人已获得各种宝贵经验的借镜，在在都必须要及时努力与认真掌握，以Knowledge is Power的态度来迎接无铅焊接！