無鉛焊接的質(zhì)量和可靠性分析

1、編號：時間：2021年x月x日書山有路勤為徑，學海無涯苦作舟頁碼：第11頁 共11頁無鉛焊接的質(zhì)量和可靠性分析前言：傳統(tǒng)的鉛使用在焊料中帶來很多的好處，良好的可靠性就是其中重要的一項。例如在常用來評估焊點可靠性的抗拉強度，抗橫切強度，以及疲勞壽命等特性，鉛的使用都有很好的表現(xiàn)。在我們準備拋棄鉛后，新的選擇是否能夠具備相同的可靠性，自然也是業(yè)界關(guān)心的主要課題。 一般來說，目前大多數(shù)的報告和宣傳，都認為無鉛的多數(shù)替代品，都有和含鉛焊點具備同等或更好的可靠性。不過我們也同樣可以看到一些研究報告中，得到的是相反的結(jié)果。尤其是在不同PCB焊盤鍍層方面的研究更是如此。對與那些親自做試驗的用戶，我想他們自然

2、相信自己看到的結(jié)果。但對與那些無能力資源投入試驗的大多數(shù)用戶，又該如何做出選擇呢？我們是選擇相信供應(yīng)商，相信研究所，還是相信一些形象領(lǐng)先的企業(yè)？我們這回就來看看無鉛技術(shù)在質(zhì)量方面的狀況。什么是良好的可靠性？當我們談?wù)摽煽啃詴r，必須要有以下的元素才算完整。1 使用環(huán)境條件（溫度、濕度、室內(nèi)、室外等）；2 使用方式（例如長時間通電，或頻繁開關(guān)通電，每天通電次數(shù)等等特性）；3 壽命期限（例如壽命期5年）；4 壽命期限內(nèi)的故障率（例如5年的累積故障率為5%）。而決定產(chǎn)品壽命的，也有好幾方面的因素。包括：1 DFR（可靠性設(shè)計，和DFM息息相關(guān)）；2 加工和返修能力；3 原料和產(chǎn)品的庫存、包裝等處理；4

3、 正確的使用（環(huán)境和方式）。了解以上各項，有助于我們更清楚的研究和分析焊點的可靠性。也有助于我們判斷其他人的研究結(jié)果是否適合于我們采用。由于以上提到的許多項，例如壽命期限、DFR、加工和返修能力等等，他人和我的企業(yè)情況都不同，所以他人所謂的可靠或不可靠未必適用于我。而他人所做的可靠性試驗，其考慮條件和相應(yīng)的試驗過程，也未必完全符合我。這是在參考其他研究報告時用戶所必須注意的。您的無鉛焊接可靠性好嗎？因此，在給自己的無鉛可靠性水平下定義前，您必須先對以下的問題有明確的答案。§ 您企業(yè)的質(zhì)量責任有多大？§ 您有明確的質(zhì)量定義嗎？§ 您企業(yè)自己投入的可靠性研究，以及其過

4、程結(jié)果的科學性、可信度有多高？§ 您是否選擇和管理好您的供應(yīng)商？§ 您是否掌握和管理好DFM/DFR工作？§ 您是否掌握好您的無鉛工藝？只有當您對以上各項都有足夠的掌握后，您才能夠評估自己的無鉛可靠性水平。更重要的，是您才能確保您的無鉛可靠性能夠提升和有所保證。舉個例子說，很多試驗都報告說無鉛技術(shù)容易出現(xiàn)氣孔故障。從常見無鉛合金的特性上來看，無鉛是較容易出現(xiàn)氣孔。但合金特性不是唯一的因素。對氣孔問題來說，更重要的因素是焊劑配方（也就是錫膏種類）、爐子性能、工藝設(shè)置/調(diào)制能力、DFM和器件焊端材料等。如果用戶不掌握這些知識，則可能隨意的作了一些試驗后見到氣孔多，就說

5、氣孔在無鉛中是個問題。而實際上，氣孔在無鉛中，是可能比那些不懂得處理技術(shù)整合的用戶，在有鉛技術(shù)中控制得更好的?？煽啃圆⒎鞘侨詢烧Z可以說清楚的。而是一門需要很多定義、規(guī)范、認證、數(shù)據(jù)支持等等工作的科學?？煽啃缘囊罁?jù)和標準：當我們評估無鉛焊點時，其可靠性的合格標準是什么？由于無鉛技術(shù)是用來取代有鉛技術(shù)的，一個很自然合理的評估標準，就是和傳統(tǒng)的錫鉛焊點進行比較。所以我們一般要求新的替代品，應(yīng)該具有和錫鉛焊點同等的可靠性，或最少很接近。所以在一般的無鉛焊點可靠性分析中，我們都是和相同設(shè)計、工藝下的錫鉛焊點效果進行比較。而一般使用Sn37Pb為基準的較多。也有一部分使用SnPbAg為比較基準的。經(jīng)過了

6、一段時間的發(fā)展，目前由于較多同業(yè)偏向看好SAC為無鉛焊料的主流，所以不少其他無鉛合金的研究上也使用SAC作為比較對象的。無鉛技術(shù)的可靠性情況：經(jīng)過了約15年的開發(fā)研究，我們到底對無鉛技術(shù)的可靠性把握多少？可靠性不同與生產(chǎn)直通率，它需要一定的使用時間來給于人們較高的信心。這也就是說，必須有較長使用時間和足夠使用量的情況下才能有較可靠的結(jié)論。在一項非正式的統(tǒng)計中，我們對業(yè)界認為無鉛是否可靠得出以下的結(jié)果：§ 94%的報告說可靠§ 100%的供應(yīng)商說他們有可靠的材料和方案§ 87%的研究院報告說還需要進一步研究而事實上，我們只有約4%的制造商有不超過5年的實際大量使用經(jīng)

7、驗。這對于一些使用壽命要求較長的電子產(chǎn)品絕對是不夠的。我們目前靠的主要是試驗分析結(jié)果。而由于這些試驗做法仍然存在著不少問題（請看下一節(jié)的解說），我們可以說，目前的可靠性狀況，還存在著：§ 不夠完整§ 不夠精確§ 不夠適用的風險所以當用戶在處理這問題時，一個關(guān)鍵就是先前我提到的“您企業(yè)的質(zhì)量責任有多大？”。這是決定你對無鉛可靠性的認同態(tài)度的主要因素。責任越大，您就應(yīng)該越不放心，越覺得無鉛還是未必可靠。到底目前業(yè)界是如何看法的呢？就一般業(yè)界較認同的看法來說，目前我們偏向于相信以下的狀況。對于使用環(huán)境較溫和的產(chǎn)品，例如室內(nèi)使用的家用電器、通訊設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等等（注一），

8、我們都認為無鉛技術(shù)可以滿足要求。這類應(yīng)用中，較多無鉛技術(shù)研究中發(fā)現(xiàn)無鉛焊點具有和含鉛技術(shù)相同或更好的可靠性。但在較惡劣環(huán)境下使用的產(chǎn)品，例如航空設(shè)備、汽車電子、軍用品等等（注二），業(yè)界則還不放心。研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)無鉛有時不如含鉛技術(shù)。圖一的研究報告就顯示了某些無鉛材料的這種特性，SAC可靠性和SnPb比較上，能力會因為所承受應(yīng)力或應(yīng)變程度而有所不同。美國新澤西州一家研究所EPSI機構(gòu)曾對無鉛和有鉛技術(shù)的研究程度進行了統(tǒng)計分析。其得出的結(jié)果是無鉛的研究資料只有有鉛的10%，而實際經(jīng)驗只有有鉛技術(shù)的24%（注三）。這也向業(yè)界提供了一個信息：我們可能還做得不夠！可靠性研究面對的問題：上面我提到目前無鉛

9、技術(shù)的可靠性仍然具有一定的風險。這風險來自什么地方，或是什么原因造成會有風險呢？以下是一些主要的原因。1 目前使用來判斷可靠性（壽命）的常用做法是通過熱循環(huán)的加速老化試驗方法，通過加溫減溫來給焊點制造應(yīng)力而使其最終斷裂，并記錄其壽命（一般是熱循環(huán)次數(shù)），制圖和進行比較來評估。而事實上，在應(yīng)用中我們的條件是和試驗中有所不同的。例如溫度變化的不規(guī)律性、較大的蠕變混合模式等等，這都不是試驗中有照顧到的。而目前我們還缺乏一套能夠從試驗室內(nèi)的單純模擬，按實際使用情況推算出實際壽命的方法。所以試驗室內(nèi)的結(jié)果，和實際應(yīng)用中有可能出現(xiàn)較大的差別。而這種差別，在無鉛新材料上我們甚至沒有理論上的預計和判斷，對其變

10、化關(guān)系幾乎是完全不懂；2 由于對某些理論還沒有掌握，在試驗中我們可能做出一些錯誤的模擬試驗設(shè)置，結(jié)果當然就得出一些錯誤的信息。比如在金屬須Whisker的認證試驗中，有些試驗采用了高溫高濕老化的方法，這做法雖然能夠通過加快原子遷移促使焊點的金屬須增長加快，但事實上也同時會對焊點或材料產(chǎn)生煅燒退火的效應(yīng)，從而減少金屬須增長的幾率。但在實際使用中，金屬遷移會在室溫下出現(xiàn)，煅燒退火的效果卻不會在室溫下形成，所以我們得到的試驗結(jié)果可能偏好而造成錯誤的判斷；3 如果我們研究多數(shù)的試驗設(shè)計，在試驗中人們很容易忽略了SMT故障形成的復雜因果關(guān)系（或許是為了簡化試驗而有意忽略），而只用過于簡單的幾項變數(shù)控制來

11、進行試驗和分析。例如有一個實際例子中，某試驗在對不同PCB焊盤保護材料進行比較時，采用了眾多OSP中的一種，而后認定OSP的能力不能接受，表現(xiàn)和他們建議的純錫差別很大。事實上OSP不只種類多，還和其他材料一樣受到供應(yīng)商加工和質(zhì)量控制能力的重大影響。但這些先決條件都沒有在試驗前進行分析控制，而作出了可能具備誤導性的結(jié)論。圖二可以讓我們更清楚看出這類問題。我們假設(shè)用戶選擇的試驗條件（材料配搭、工藝參數(shù)等）是圖中的#1的話，那他得出的結(jié)論是OSP和ENIG不良，ENEG不穩(wěn)定，ImAg最好而應(yīng)該被推薦。但他如果采用了試驗條件#2，他則認為所有不同的PCB處理都沒有什么不同的表現(xiàn)。這是截然不同的兩種結(jié)

12、論！而最重要的，是用戶的實際情況是什么？用戶的材料、設(shè)計、工藝、設(shè)備、加工廠能力等等的技術(shù)整合結(jié)果，是處于條件中的#1？#2？還是其他的點上？這在SMT技術(shù)中是個不容易的工作，需要對各種工藝、設(shè)計、材料、設(shè)備等等都有很好掌握的人員才能處理得合理。在工作中我見過有不少的試驗設(shè)計，是考慮不周的。這也說明了為什么很多報告，其結(jié)果不能吻合。4 熱循環(huán)疲勞失效試驗是研究可靠性中最主要的方法之一。為了縮短試驗時間，一般都采用高應(yīng)力，高應(yīng)變的試驗做法。但業(yè)界也發(fā)現(xiàn)，很多焊料的特性表現(xiàn)，在低應(yīng)力、低應(yīng)變的情況下顯得不穩(wěn)定和出現(xiàn)不同的結(jié)論。而實際應(yīng)用上，焊點所面對的是大范圍的應(yīng)力和應(yīng)變。但很少試驗是在低應(yīng)力、低

13、應(yīng)變下進行的。而這方面的高與低標準，以及他們和產(chǎn)品設(shè)計、應(yīng)用等上的關(guān)系等等知識資料也很缺乏；5 可靠性特性的針對性相當強。比如類似“使用在BGA的可靠性好”這樣的評語，事實上是不夠精確的。我們發(fā)現(xiàn)，BGA的大小，BGA的焊端（Bump）數(shù)量也都影響可靠性結(jié)果。例如一份報告中發(fā)現(xiàn)，9個焊端的CSP，其可靠性就比24個焊端的小了1.5倍！而我們并沒有資源對所有的不同組合（器件封裝、焊料、PCB、工藝參數(shù)、設(shè)計等）進行試驗分析。這就是說，我們不免有一部分（還不知道有多大的一部分？）情況完全沒有把握到；6 保護各自利益影響信息的真實性。我們不難發(fā)現(xiàn)，業(yè)界的供應(yīng)商們所發(fā)表的資料，都是說無鉛可行。而一些研

14、究院或用戶的報告，則總是在結(jié)尾上提到還需要研究認證！。這在一定程度上也是受到本身利益的影響而過濾了某些信息。當然，其壞處是誤導一些經(jīng)驗不足，資源不足的用戶?；谝陨系脑?。我認為我們在接觸無鉛信息資料的同時，必須對各個資料的背景、細節(jié)等進行相當程度的分析判斷。并要求收集眾多的信息進行比較。而最有用的，是擁有自己本身的認證開發(fā)能力。以往有鉛時代的抄用做法，在進入無鉛后會可能給您帶來問題。如此說來，是否所有的用戶都必須大量的投入可靠性研究？這也未必。我們還得來看看風險?？煽啃燥L險有多大：知道了存在的重重問題，知道了我們聽說或見到的可靠無鉛技術(shù)未必真的可靠后，那我們是否會問：“使用無鉛的風險有多大？

15、”我沒有見到業(yè)界有對這問題進行分析預計的?；蛟S這時候沒有人愿意這么做。商家肯定不愿意，研究院也因為在確保質(zhì)量上有很大的困難而不愿意。不過按我的經(jīng)驗和看法來判斷的話，我覺得風險還是偏小的，風險的隨機性也十分強。而且我個人覺得這風險問題無法得到很好的解決，至少在三五年內(nèi)不會。我所以這么說，基于以下的幾個觀點。1 許多試驗，雖然把握的不好，但結(jié)果很少出現(xiàn)足以提出報警的大問題。例如以下圖三中的比較。左右兩份研究的結(jié)論剛好是相反，這說明在整個過程中我們并沒有對所有關(guān)鍵因素把握和控制到位。但即使結(jié)果不一樣，測試出來的數(shù)據(jù)卻顯示他們都很好的滿足實際回流焊接中的需要。2 單一材料的特性分析，目前的業(yè)界能力是足

16、夠的。所以那些無法事先得到較足夠認證的，是個配搭問題。這配搭包括材料間、材料和工藝間的配搭。也就是說，并非每個用戶都有同樣遇到問題的幾率。而是有較高的隨機性的。這問題其實在有鉛時代已經(jīng)是常見的。我們不是常遇到某些批量出問題，或常聽到供應(yīng)商說：“我的其他客戶沒有這種問題！”的嗎？就拿上圖三的例子來說（假設(shè)兩個試驗是可靠的，而差異是材料供應(yīng)商的差別），那使用左圖中的材料在回流焊接中的客戶，未必能發(fā)現(xiàn)其能力差。但如果是使用在波峰焊接中，則就可能是個問題了！這里的風險是需要左圖的供應(yīng)商，加上波峰焊接工藝才會出現(xiàn)的。所以不是每個用戶都會遭遇到。3 無鉛對與那些高質(zhì)量要求的行業(yè)來說，由于豁免條例等等，目前

17、的壓力還不太大。例如航天、軍用產(chǎn)品行業(yè)中，無鉛環(huán)保并不是個必須品。也就是說無鉛是否可靠并不是他們急于解決的問題。雖然這些行業(yè)可能受到供應(yīng)市場的轉(zhuǎn)變而受到一些影響，但這些行業(yè)對成本本身不敏感，而SMT中的有鉛或無鉛更是其成本中微不足道的一小部分。所以估計這方面的用戶，雖然關(guān)注無鉛的發(fā)展，但短期內(nèi)也不會做出很嚴厲的要求。4 一些影響可能較大的，也就是對質(zhì)量要求高，而成本上也有一些壓力的，比如電信和汽車電子等。所遇到的情況是一方面可以利用豁免條例來延緩這方面的沖擊；另一方面，即使法規(guī)上要求必須采用無鉛，其競爭情況是一致的。加上目前大多數(shù)行業(yè)并沒有一套很好的市場可靠性監(jiān)控方法，而可靠性必須長時間來認證

18、等等，所以當法規(guī)壓力大于用戶壓力時（不只是用戶沒有對可靠性做出嚴格可行的要求。有些用戶還可能對于風險毫不知情，對遵從法規(guī)的要求遠遠超過對可靠性方面的要求），這方面的無鉛化還是會在可靠性被懷疑的情況下推進的。而在工作量和難度的壓力下，不可能有太多的企業(yè)主動的去處理這方面的研究問題。無鉛的焊接問題：無鉛焊接的質(zhì)量問題，有許多模式是和錫鉛技術(shù)中一樣的。因為篇幅問題，我在本文中就不多加解釋。我們只看看無鉛技術(shù)中較特有的問題。這些問題，一般都是因為三個因素所造成：1。高溫焊接環(huán)境；2。錫Sn的特性；以及3。替代鉛的其他金屬或合金特性。我們先來看看高溫帶來的問題。首先受到影響的，是器件封裝的耐熱問題。在無

19、鉛技術(shù)的推薦焊接溫度上（245 255），溫度比起以往SnPb的最高約235高出了20度。這對以往器件只保證承受240來說，肯定是存在損壞風險的。而像BGA一類器件的使用，其本身封裝在焊接中的溫度就高過焊點溫度。加上其較冷熱特性的焊點，當滿足BGA的焊接條件時，容易使到同一PCBA上的其他小熱容量器件的溫度高出許多，這又進一步加強了熱損壞的風險。所以業(yè)界一些機構(gòu)如IPC等建議所有定為無鉛合格的器件，必須要能承受的起數(shù)次通過峰值溫度高達260的最低要求（注四）。不過這里要提醒的，是這是器件供應(yīng)商用來測試的標準。和實際應(yīng)用中有一定的不同。由于實際PCBA上存在熱容量及對流條件的不同，我們是可能很難

20、同時滿足焊點的焊接溫度需求以及封裝的耐熱需求的。就如以上提到的BGA例子，當BGA底部的中間焊點達到255時，BGA的封裝是很可能超過260的。對于較厚的BGA封裝，標準中還允許其保證在較低的溫度（如245，250，注四）。這在實際應(yīng)用中可能出現(xiàn)問題。高溫度帶來的問題，還有以下各種故障：§ PCB變形和變色§ PCB分層§ PCB通孔斷裂§ 器件吸潮破壞（例如爆米花效應(yīng)）§ 焊劑殘留物清除困難§ 氧化程度提高以及連帶的故障（如氣孔、收錫等）§ 立碑§ 焊點共面性問題（虛焊或開焊）§ 焊點殘留的內(nèi)應(yīng)力以上的

21、各種故障，其處理方法和有鉛技術(shù)并沒有太大的不同。主要是程度上要做得更到位，并對技術(shù)整合管理的要求更高。除了高溫問題，無鉛還帶來了以下已經(jīng)為業(yè)界發(fā)現(xiàn)的特有問題。焊點的剝離（Lifted Pad）：這類故障現(xiàn)象多出現(xiàn)在通孔波峰焊接工藝中，但也在回流工藝中出現(xiàn)過?，F(xiàn)象是焊點和焊盤之間出現(xiàn)斷層而剝離（圖四）。這現(xiàn)象的主要原因是無鉛合金的溫度膨脹系數(shù)和基板之間出現(xiàn)很大差別，導致在焊點固化的時候在剝離部份有太大的應(yīng)力而使他們分開。一些焊料合金的非共晶性也是造成這種現(xiàn)象的原因之一。所以處理這問題主要有兩個主要做法，一是選擇適當?shù)暮噶虾辖?，另一是控制冷卻的速度，使焊點盡快固化形成較強的結(jié)合力。除了這方法外，我

22、們還可以通過設(shè)計來減少應(yīng)力的幅度，也就是將通孔的銅環(huán)面積減小。日本有一個流行的做法，是使用SMD焊盤設(shè)計。也就是通過綠油阻焊層來限制銅環(huán)的面積。但這種做法有兩個不理想的地方。一是較輕微的剝離不容易看出；二是SMD焊盤在綠油和焊盤界面的焊點形成，從壽命的角度上來看是屬于不理想的（注五）。有些剝離現(xiàn)象出現(xiàn)在焊點上（圖五），稱為裂痕或撕裂（Tearing）。這問題如果在波峰通孔焊點上出現(xiàn)，在業(yè)界有些供應(yīng)商認為是可以接受的。主要因為通孔的質(zhì)量關(guān)鍵部位不在這地方。但如果出現(xiàn)在回流焊點上，應(yīng)該算是質(zhì)量隱憂問題，除非程度十分小（類似起皺紋）。鉛污染問題：由于鉛的加入對錫的特性影響很大，當我們把鉛除去后，在焊

23、接過程中如果有鉛的出現(xiàn)，將會對焊點的特性和質(zhì)量造成影響。很不幸的是不良的影響。這現(xiàn)象我們稱之為鉛污染。而由于從有鉛到無鉛的切換并非瞬時間的，所以在過渡期間我們很可能會同時存在有鉛和無鉛的材料（尤其是器件焊端材料）。所以我們必須了解和掌握鉛對無鉛焊點的影響。鉛的出現(xiàn)或鉛污染可能對焊點造成以下的兩種影響：1 熔點溫度的降低（程度看鉛的含量而定）；2 焊點壽命的損失（這方面十分敏感）；至于在焊接性和工藝性上則影響不多。因為一般鉛的成分不會很多，不足以在工藝上造成影響。鉛對熔點溫度的影響相當敏感，例如對常用的Sn3.5Ag焊料來說，1%的鉛的出現(xiàn)就能使其熔點從221下降到179；而在目前建議給波峰焊接

24、使用的Sn0.7Cu來說，1%的鉛也使其熔點從227下降到183。目前發(fā)現(xiàn)對鉛污染最敏感的是含有Bi的合金。當Pb和Bi在一起出現(xiàn)時，會產(chǎn)生熔點只有96的IMC，大大降低焊點的壽命。業(yè)界曾作過一些試驗，發(fā)現(xiàn)含0.5%的鉛（注六）會使Sn3.5Ag3Bi焊點的機械強度下降原來的60%；而其疲勞壽命也下降了32%左右（注七）。鉛對不含Bi的焊點也有很大的破壞。例如在Sn1.5Ag3.1Cu合金中，0.5%的鉛會使壽命減少到?jīng)]有污染的43%左右。不過關(guān)鍵是，其他不含Bi的合金壽命一般比SnPb高出一定的程度。所以即使在受到鉛污染的破壞后，其壽命仍然合格，即相當或過于SnPb焊點。比如Sn1.5Ag3

25、.1Cu焊點在0.5%鉛污染的情況下，其疲勞壽命仍然有SnPb焊點的2倍。所以一般認為，只要不含Bi，鉛污染的問題不會太嚴重。但這里我做個提醒，未必所有可用的無鉛合金都已經(jīng)過認證。所以用戶必須確保本身采用的焊料合金對鉛污染的敏感性。和您的供應(yīng)商探討這問題是重要的。克氏空孔（Kirkendall Voids，注八）：這是一種固態(tài)金屬界面間金屬原子移動造成的空孔現(xiàn)象。由美國克肯多先生于1939年發(fā)現(xiàn)并以其姓氏命名。在無鉛技術(shù)中，由于一般焊料的Sn含量比傳統(tǒng)的Sn37Pb高很多，而Sn和其他金屬如Au，Ag和Cu等很容易出現(xiàn)這種克氏空孔現(xiàn)象（圖六）。所以在無鉛中算是一種較新的故障模式。圖六顯示在銅焊

26、盤和錫焊點之間存在Cu6Sn5的IMC層。而在Cu和Cu6Sn5的界面，由于Cu進入Sn的速度快，會造成一些無法填補的空孔（圖中黑色部份）。這就是克氏空孔了?？耸峡湛椎男纬伤俣群蜏囟扔泻艽蟮年P(guān)系，溫度越高增長越快。這是因為高溫增加了原子活動能量的關(guān)系。所以要預防克氏空孔的危害，必須在材料和溫度上著手。一般Au，Ag和Cu是最容易和Sn間出現(xiàn)克氏空孔的。用戶必須在這方面給于小心處理。例如用于高溫的焊點（注九），其界面材料選擇就應(yīng)該避開使用Au，Ag或Cu直接和高Sn含量的焊點接觸。比如使用Ni層隔離等方法。而在工藝中，例如使用Ni/Au鍍層的，就必須確保其鍍層厚度和工藝參數(shù)（焊接溫度和時間）配合

27、，使Au能夠完全的溶蝕并和Ni間形成IMC。這問題容易出現(xiàn)在較冷的BGA底部。OSP鍍層由于在焊點形成后Cu和高Sn含量的焊點直接接觸，所以對與高溫應(yīng)用并不是很理想。金屬須（Whisker）問題：在含鉛技術(shù)中，金屬須（圖六）的問題并不被大多數(shù)人重視。因為大約>3%的鉛能夠很好的阻止金屬須的生長。但其實金屬須問題在含鉛技術(shù)中已經(jīng)存在。在航天和軍用設(shè)備上已經(jīng)有遭受其危害的事例。如今當我們在無鉛技術(shù)中將鉛去除后，絕大多數(shù)的合金都屬于高Sn含量，甚至有100%Sn在器件和PCB焊盤鍍層上的應(yīng)用被看好的。Sn是一種較容易出現(xiàn)金屬須的金屬。所以金屬須問題在無鉛技術(shù)中就成了個較熱門的話題和研究對象了。

28、金屬須并不需要環(huán)境條件來助長。目前業(yè)界對其原理還沒有下定論，但一般較相信是因為內(nèi)層Sn的應(yīng)力所引起的。金屬須沒有固定的形狀（圖七），針形的一般可長到數(shù)十微米或更長（曾發(fā)現(xiàn)近10mm的）。也沒有明確的生長時間，有數(shù)天到數(shù)年的巨大變化范圍。業(yè)界目前在金屬須課題上面對的問題，是還沒有人真正了解其機理和控制方法。雖然經(jīng)過多年的研究，人們已經(jīng)整理出好些有用的經(jīng)驗，但卻還不能確定該如何預防或控制金屬須。比如亞光錫（Matte Sn）的使用，雖然是目前被推薦的主要方法之一，但業(yè)界也曾發(fā)現(xiàn)過在亞光錫上出現(xiàn)的金屬須。這說明這技術(shù)還不是絕對可靠的。由于了解的不到位，目前業(yè)界也沒有一套被認可試驗的方法。這也增加了對

29、其研究的困難。通過各方的研究以及業(yè)界的經(jīng)驗，整理出較被認可的論點可以總結(jié)如下：在影響金屬須生長的因素方面有：§ 金屬種類和合金成分§ 金屬鍍層的厚度§ 鍍層表層的微晶結(jié)構(gòu)§ 鍍層的電鍍工藝（電鍍液配方和電鍍參數(shù)）§ 庫存溫度（發(fā)現(xiàn)在10以下增長較快）§ Sn中的碳和有機物含量§ 機械應(yīng)力（內(nèi)部和外加）在處理或預防方法上，有用的經(jīng)驗有：§ 使用亞光錫，目前還推出據(jù)說更好的鍛光錫工藝§ 使用較厚的Sn鍍層§ 對已經(jīng)電鍍好的Sn面進行浸錫加工§ 在Sn中加入其他金屬（例如Bi，Sb，Cu等）

30、§ 在Sn的鍍層和基材間加上另外一層不同金屬（比如鎳），改變其IMC界面的金屬遷移特性§ 電鍍后煅燒退火§ 三防噴涂§ 減少PCBA安裝時的機械力（例如螺絲孔造成的扭曲力等）以上方法在一定程度上有效，但還不足于給人們完全放心。目前在這課題上的狀況是“風險不算大，但隨機性強，還需要不斷摸索研究！”錫瘟問題：錫瘟是錫在低溫下改變其微晶結(jié)構(gòu)相位所造成的一種現(xiàn)象。錫瘟在形成時的體積增長約26%，性質(zhì)很脆，稱粉狀，所以對焊點會造成可靠性問題。形成時出現(xiàn)像疙瘩狀的表面（圖八）。錫瘟有一定的延遲生長時間，可能達數(shù)年之久。但一旦開始形成就會快速的蔓延。錫瘟一般在低于13

31、.2以下開始形成，約在-30幾度時形成速度最快。錫瘟現(xiàn)象曾被發(fā)現(xiàn)在SnCu，SnZn，和SnAg合金中，表示無鉛材料可能具有這方面的風險。Sn中的Al和Zn雜質(zhì)也會助長錫瘟。在有鉛技術(shù)中，錫瘟不是個關(guān)注的問題，因為Pb可以阻止錫瘟的形成。我們也發(fā)現(xiàn)兩種較Pb還能阻止錫瘟的金屬，就是Bi和Sb。少量的（0.2-0.5%）的Bi或Sb能夠預防錫瘟。所以這是個推薦的方法。雖然我們對錫瘟的現(xiàn)象和原理已經(jīng)有較好的了解。但在SMT無鉛技術(shù)中，錫瘟并不是一個重點研究的對象。這可能是由于錫瘟不像金屬須問題，它在電子業(yè)中并沒有具體的破壞事例。在70年代，當時器件的鍍層是以純Sn為主，也就是最敏感的。但也沒有報告說受到錫瘟問題的破壞。所以，錫瘟的目前狀況，也是屬于一個有擔心但非急于解決的問題。后語：從電子業(yè)開始談無鉛技術(shù)到現(xiàn)在，已經(jīng)有超過15個年頭了。但對無鉛的可靠性研究和把握的角度來評估的話，我們還只是開始入門。研究、觀察經(jīng)驗雖然有一定的量，不過因為技術(shù)的復雜和變數(shù)眾多，使我們還不敢斷然說無鉛已經(jīng)是具備高可靠性的技術(shù)了。雖然如此，這些不確定性并不會真正影響我們的推進以及可能在明年中的較全面采用無鉛技術(shù)。因為我們在小量研究和應(yīng)用中，也沒有看到較大的風險。無鉛的目前問題較多出現(xiàn)在表面