环保焊接的材料与工艺问题

目前很多国家都在积极立法限制铅的使用以保护环境，这也推动了无铅电子组装的应用。但各种新型合金的整合性和可靠性问题现在仍没有彻底解决，到底应选择何种合金已迫在眉睫。本文对Sn/Ag、Sn/Ag/Cu和Sn/Cu合金进行研究，比较这些合金的可靠性试验结果和工艺上的一些问题。

无铅替代方案中现在提得较多的是用银或铜代替焊料中的铅，因此我们下面主要对锡与这几种金属组合所形成的合金进行讨论。

Sn/Ag合金

Sn/Ag3.5～4.0在厚膜电路和电子装配中有着悠久的历史，因此业内人士认为用Sn/Ag焊料作为Sn/Pb替代品应该很方便，但是这种材料却有几个问题。首先，该焊料的熔点(221℃)和回流焊峰值温度(240℃～260℃)相对于许多表面安装器件和工艺来说都太高；其次，它里面含有3.5%～4%的银，将会因成本过高而在某些领域受到限制；第三也是重要的一点，这种焊料因为银相变化而无法通过可靠性试验，这主要是由于合金内不同区域冷却速率不同而造成。

为了深入研究这种焊料，我们将一条Sn96/Ag4锡块进行回流并从底部强制冷却，然后检查它在不同冷却速率下的微观结构。如图1所示，Sn96/Ag4合金由于冷却速率不同而有三种金相结构，这种结构缺陷与焊点上发生的情况很类似，可能引起现场失效。正是由于这个缘故，多数OEM厂商和工业组织都反对采用Sn/Ag作为主要的无铅焊料，银的相变问题还引起人们对含银量高的Sn/Ag/Cu合金的担心。

Sn/Ag/Cu合金

尽管存在**方面的问题，世界上多数国家还是主张使用Sn/Ag/Cu系列合金，但是应选择什么样的比例呢？本文重点研究其中两种，即一些业界组织关注的Sn/Ag4/Cu0.5以及低含银量对照合金Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5。

在分析这两种合金的可靠性试验结果之前，可以先从经验上对它们做一个比较。总体来讲，它们非常相似，都有很好的疲劳特性、优良的整体焊接强度和丰富的材料供货源，但也有些细微的差别值得进行讨论。

◆熔点 两种合金的熔点很接近：Sn/Ag4/Cu0.5是218℃，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5是217℃。虽然熔点对现实应用有无影响还有待商榷，但如果能够严格控制回流焊工艺，熔点温度降低对于减少元件在高温下的停留时间将会有积极影响。

◆湿润性 在比较这两种合金时，有必要先问一下为什么要选择一种含银量高的合金，因为这会增加成本。一些人认为含银量高的合金有助于提高湿润性，但是湿润试验(图2)表明，含银量低的合金实际上比含银量高的合金湿润性更强。

◆**状况 业界希望能找到一种可以广泛使用的合金，所以不会考虑有**保护的类型。尽管Sn/Ag4/Cu0.5没有**保护，而Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5已注册了**，但还是应该用更为慎重的观点来看待**的影响以及这些合金供应渠道的真实数量。

如上所述，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5已注册了**，不过它已被许可转让给了众多焊料制造商且没有数量上的限制，同时无需初始费用。Sn/Ag4/Cu0.5没有注册**，但用这种焊料的用户应该知道，该合金所形成的焊点却可能申请了**，美国法律允许销售这种产品的电子级焊料制造商数量是极其有限的。

虽然Sn/Ag4/Cu0.5所形成的焊点可能会违反现有**，业界还是推荐使用这类合金，因为人们认为这种工艺过去就已经存在，所以不应再受**的保护。但这是错的，因为多数**既包括合金组分又包括应用(焊点)。换言之，如果能证明以前就有这样的工艺，那么合金成分可能就不会受**保护；但是如果**写得比较详细(包括了应用部分)，那么该工艺就必须要面对受到**保护的焊接过程。从根本上讲，这意味着制造商使用的即使是**范围之外的合金(如Sn/Ag4/Cu0.5)，但如果在制造期间焊料“吸收”了其中某种金属(通常为Cu)，形成含有**保护成分的金属互化物，那么制造商就会因违反**而可能会引起法律诉讼。

◆金属成本 高银含量(银的数量在3.5%～7.7%之间)会使合金成本很高，在填充波峰焊机的锡槽时，银含量每上升1%将使每公斤成本增加1.45美元。为减少开支，有人建议在波峰焊中使用不含银的无铅焊料，而将含银合金仅用于表面安装组件。下面会讨论到，这将因Sn/Cu缺陷以及双合金工艺而可能导致产品失效。

Sn/Cu合金

尽管Sn/Cu合金可以节约一部分成本，但它也有几个问题必须要考虑。首先，这种合金的熔点是227℃，因此在许多温度敏感场合其应用会受到限制；其次，各种情况证明，与其它无铅焊料相比这种合金湿润性较差，在很多时候要求使用氮气和活化程度高的助焊剂，并可能引起与湿润有关的问题；第三，Sn/Cu的毛细作用力很低，难于吸入PTH的孔中，同时它缺乏表面安装组件所需要的抗疲劳性；后，这种合金很差的疲劳特性会引起现场失效，完全抵消因低廉的价格所带来的初期成本节约。

双合金工艺

还应该指出的是，除了Sn/Cu本身的缺点之外，在组装中应用两种焊料合金(如SMT用Sn/Ag/Cu而波峰焊用Sn/Cu)也会产生问题。好不要将Sn/Ag/Cu和Sn/Cu混杂使用，因为这会引起焊点合金不均匀，出现这种情况后，焊点可能因无法释放应力和应变而容易受疲劳失效的影响。正是由于这种潜在的混杂问题，双合金工艺的修复或修整也需要准备两种合金，并且还要有特别操作说明和监督，才不致于使合金混杂。但遗憾的是不管管理得有多好，操作人员总是喜欢用容易使用的焊料，即流动性好并且熔点温度较低的合金，所以许多焊点都可能用Sn/Ag/Cu进行修补，即使这些原先是用Sn/Cu装配。这好比是免洗和RA芯焊锡丝并用的情况，如果它们都放在生产线上，RA经常会被滥用，原因很简单，就是因为它容易用。所以从根本上来讲，双合金组装工艺会引起可靠性问题，且很难进行管理。

焊点可靠性试验

为了分析Sn/Cu和Sn/Ag/Cu合金的可靠性，对它们分别进行热和机械疲劳试验，试验情况如下。

◆热循环试验 在一块试验板上用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5焊接1206薄膜电阻，然后将试验板在-40℃～+125℃之间分别进行300、400和500次15分钟热冲击试验，完成之后对焊点进行截面分析，检查有无裂缝。

试验后的检验表明，Sn/Cu合金由于湿润性差(图3)而会使焊点出现裂缝，Sn/Cu形状完好的焊点在第三组试验板循环到500次时也出现了裂缝。

有意思的是，Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5(图4)合金在试验到500次时没有出现任何裂缝，这表明Sn/Ag/Cu与Sn/Cu相比具有非常优良的抗热疲劳性。但是从图4也可以明显地看到，Sn/Ag4/Cu0.5合金在热循环后整个焊点的晶状结构确实也出现了一些变化。

◆机械强度-弯曲试验 用同样的试验板进行弯曲试验，可以看出Sn/Cu0.7(图5)制成的焊点在弯曲试验时出现裂缝，表明焊点不能承受较大的机械应力。相反，Sn/Ag4/Cu0.5和n/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5形成的焊点则全部都通过了弯曲试验要求。

新型方案

为缓解电子业界对无铅焊接的担心，Consultech International公司半导体独立咨询顾问Bance Hom开发了一种**无铅组装新方案。她采用不光滑的Sn/Pb引脚镀层(QFP 208 IC)、涂有机表面保护剂的PWB和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金焊膏，做出全无铅组装件同时并没有大幅增加复杂性和费用。她成功的关键在于组件的回流焊峰值温度为234℃，应该指出的是，这些组件是在惰性气体下进行加工的。当然，并不是所有组件都能在上述环境下组装，因为元件的来源问题以及不可能在所有组件上都达到234℃峰值温度(由于元件质量、夹具等会引起ΔT不同)，但重要的是，在有些情况下应用某些材料还是能很容易地实现无铅焊接。