中心議題：

• 無鉛焊接缺陷的分類
• 無鉛焊接缺陷的形成原因

解決方案：

• 對波峰焊接，焊錫溫度盡可能設低
• 使用好的助焊劑
• 使用SPC和Pareto技術檢測制成工藝

大部分無鉛應用實施會帶來除物料及物流以外少許的變化，因為多數應用中，在找到最優化的工藝設定后，無鉛焊接能達到變化前一樣或更好的質量。但是在變化多樣的電子裝配中也有例外，對某此裝配有利的方面則會對另一此帶來不利。不同的熔點，另外的金屬間化合物，不匹配的脹率和其他物理特性等會使新老問題加劇并很快顯露出。

外觀問題還是缺陷？

無鉛焊接中首先注意到的是外觀灰白并粗糙，非常不同于很久以來錫鉛（尤其Sn/Pb/Ag）焊點光滑亮澤的特點。
最近的IPC-A-610-D為質量工程師提供了定義缺陷及可接受標準。如典型的焊接問題：焊點裂紋，脫離焊盤，焊盤翹起，表面皺縮，空洞。

●已知的焊料缺陷可以根據以下主題進行分類：
☆    線路板材料和高溫
☆    元器件的損壞，錫鉛和無鉛的混用
☆    助焊劑活性和高溫
☆    無鉛合金的特點
☆    焊錫污染過熱及其他回流缺陷

很多潛在的焊接缺陷源于過高的焊接溫度。基材之間以及基材和銅之間的分層，線路板變形是由于低質量線路板和高溫效果共同造成的典型缺陷。

在對BGA芯片進行回流焊時，控制冷卻速度非常管理重要。冷卻太快會形成好的焊點結構，但會加劇BGA載板和材料的變形。為了減少BGA和線路板材料的變形，最好是使用可控制的慢速冷卻。

高溫所帶來的另一方面的影響是會形成吹氣孔。PCB板在焊接過程中會散發氣體，這些氣體源于吸收的水分，電鍍層包含的有機物，或者是亞板中包含的有機物等等。

線路板無鉛鍍層的使用也產生了許多問題。這些問題包括黑盤現象，多孔金層，有機焊料保護層（OSP）或化學銀保護層的氧化，以及化學銀鍍層缺乏光澤。

元件問題

與元件相關的缺陷分為兩種：一、與元件鍍層相關的缺陷。首要是錫須問題，另外有鉛污染以及含鉍鍍層會導致焊接中低熔點部分而產生縮孔，波峰焊接時的二次回流，增加焊盤脫離的風險；二、低質量原材料導致的缺陷。這包括濕氣的吸收，塑料的熔化或變形，無鉛焊接的高溫引起基材分層。

最好使用符合RoHs的元件而不僅僅是無鉛元件。符合RoHs意味著耐高溫而且只有這種材料不違反正在實施的歐洲RoHs法規。
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助焊劑活性

助焊劑在焊接過程中扮演者主要角色，很多缺陷歸因于助焊缺乏活性。活性強的助焊劑能去除氧化防止橋接。焊錫上有氮氣覆蓋可以去氧化，提高潤濕特性，從而增強化學錫性能。如果有足夠的助焊劑活性或氮氣環境，就不會出現如拉尖或冰柱的缺陷。

助焊劑應能適應焊接過程中的高預熱溫度，熱空氣對流，高焊料溫度，雙波峰，還有線路板鍍層及阻焊層

高焊接溫度

所有在波峰焊接中直接和液態焊料相鄰的部分，由于液態焊料傳給焊點的熱能，其溫度都會升高并膨脹。各種材料的熱膨脹系數不同，并且在無鉛焊接的高溫中膨脹程度更高。環氧玻璃材料線路板的熱膨脹隨溫度而變化，這種膨脹在Z軸尤其突出。由于鍍銅過孔和PCB基材不同的熱膨脹率焊錫連接會出現變形，這種變形主要集中在焊盤區域。焊接中出現楔形。這種變形是一種動態過程，它使焊盤在焊接過程中上下移動。移動又導致焊點裂縫的產生。

IPC-A-610-D定義了縮孔的接受程度：

                                                   
圖1焊接裂縫：根據IPC-A-610-D，沒有接觸焊盤，金屬過孔或元件引腳的裂紋是可以接受的。

☆    裂紋底部可視（圖1）
☆    裂紋或縮孔沒有接觸焊盤，金屬過孔或元件引腳

焊盤和焊角翹離的成因有著相同的機理，即材料熱膨脹性的不匹配。PCB與焊錫接觸時間更長，穿孔的填孔效果也會更好，更高的焊接溫度有益于焊點潤濕。當同時具備接觸時間長和焊接溫度高時就會有導致以下幾種缺陷的危險：

吹氣孔銅熔出

焊盤的銅溶解于焊料中。如果銅層太薄，非常長的接觸時間會使銅完全溶解。

二次回流

如果波峰焊接過程中溫度超出焊錫膏的熔點SMD元件會被再次熔化。焊盤可能會被吸走使得元件引腳脫離焊盤，有時引腳和焊盤之間會保留少許連接并能通過電流，要發現這種缺陷就更加困難。在易發生的元件上放置散熱器可以防止二次回流。

焊料上吸（燈芯效應）

焊錫從焊接處向上流走，造成焊點焊錫不足。

                                                           
                           圖2焊料上吸。焊錫在彎腳處而沒有接觸元件體是可以接受的。

元件損壞

有些元件（如MELF）在錫波的熔錫中停留過久就可能碎裂。另外一種情況，元件的點膠承受不住高溫而掉入焊錫中。
                                                           
                                                      圖3因為過熱造成的損壞的MELF。
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焊錫污染

有些金屬會溶解于無鉛焊料中。焊料的溫度流速和合金成份確定了這種溶解的速度。因而要求持續監測焊料成份。

鉛、鉍、銅及其他金屬對焊料的污染會影響固化過程，錫鉛鉍合金會在焊料間形成低熔點部分，在加上作用于焊點的機械應力，就會造成焊接裂縫。

如果錫槽的構成材料沒有足夠的防護層，材料（不銹鋼）中的鐵會溶解于焊錫中形成FeSn2晶體。這種晶體的熔點高達510℃，因而會保留在焊錫中。由于在錫槽角落的錫流較慢，晶體通常集中在角落處。但是如果晶體與焊錫一起泵出，晶體可能會留在焊點處引起橋接。

回流焊接相關的缺陷

無鉛焊接使回流工藝窗變少。為了使焊錫完全熔化并且不損壞別的部件，一個關鍵的指標是達到保持最小的DT（在組件上最冷和啊熱點的溫度差）。事實上很多回流焊接的缺陷都和印刷及焊錫膏特性有關。無鉛焊接中的缺陷和曾經發生于SnPb工藝中的相似。

元件一端立起（立碑）

這種命名形象的現象發生在片狀元件翻起并立焊接端。一些研究表明無鉛焊錫膏可以降低元件一端立起的發生幾率，那是因為無鉛焊錫的潤濕程度小而作用在元件上的力（如表面張力）也同樣明顯減小。

錫球

這是一種位于元件側面的焊錫球。錫球常見的原因的：焊盤上錫膏過多，錫膏印刷不準確，溶劑形成的氣體在回流預熱時從錫膏中排出。

                                                          
                                             圖4FeSn2針狀結晶體在組件上造成短路。

錫橋

造成的原因有：絲網印刷不準確，印錫形狀模糊，錫膏塌落，錫膏過量或者元件貼片不準確。

對BGA元件使用混合材料
                                                         
                                                 圖5用SnAgCu焊錫膏焊接SnPbBGA

當焊錫膏和BGA焊錫球材料不匹配時可能會出現問題。如果使用無鉛焊錫膏于BGA錫鉛焊錫球，錫球在183℃時熔化，而此時焊錫膏的氣體仍在排出。由于錫球已經熔塌在焊錫膏上，氣體只能排入SnPb中形成大的空洞。如果使用SnPb焊錫膏于無鉛的BGA焊錫球，必須確保錫球完全熔化以達到充分的自我對準。

建議

很多缺陷和線路板材料質量相關，板的可焊性依賴于好的存儲條件，受控的物流，合格的供應商。

對波峰焊接，焊錫溫度盡可能設低，防止元件過熱，材料損壞，尤其是焊錫膏再熔化（二次回流）。

低的焊錫溫度能減低熔化的錫對錫槽及葉輪的侵蝕作用，而且限制FeSn2晶體的生成。

在波峰焊接和回流焊中，很多缺陷源于助焊劑活性不夠。好的助焊劑能夠經受住高溫，防止橋接等。很多的實驗設計也證明了助焊劑的重要性。

優秀的制成工藝控制可以降低缺陷水平。使用SPC和Pareto技術檢測制成工藝的穩健性，完善組件設計更是關鍵。回流焊接中充分的制成工藝控制既可以防止過熱又能降低缺陷發生率。

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