無鉛焊料不僅成本較貴，焊接溫度攀高(平均約30℃)，而且其焊點(diǎn)強(qiáng)度方面，也遠(yuǎn)不如現(xiàn)行共熔合金Sn63／Pb37之可靠。不管波焊或熔焊，無鉛焊點(diǎn)都會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)空洞(VoidS)、漏焊(Skip)、錫球(SolderBa11)，搭橋(Bridge)、立碑(TombStoning)等缺點(diǎn)，比起正統(tǒng)錫鉛者當(dāng)然要嚴(yán)重很多。以下即就某些常見的明顯缺失，詳細(xì)加以說明。
現(xiàn)役錫膏所熔焊成的焊點(diǎn)，其腳尖焊性困難區(qū)仍可能會(huì)出現(xiàn)空洞

圖1．左上圖為SnPb現(xiàn)役錫膏所熔焊成的焊點(diǎn)，其腳尖焊性困難區(qū)仍可能會(huì)出現(xiàn)空洞。上右為某種SnAgCu無鉛錫膏所得到的焊點(diǎn)，下兩圖則為另二商品化錫銀銅之錫膏所形成的焊點(diǎn)，大體看來品質(zhì)還算不錯(cuò)。
一、高溫對(duì)板材與元件所帶來的衝擊
由於各種無鉛焊接之熔點(diǎn)與焊溫，平均要上升30，C以上，且預(yù)熱時(shí)間與焊接時(shí)間也會(huì)隨之增長，難免會(huì)對(duì)零組件與板材帶來很大的衝擊。例如電解電容器(Electr。lyticCapacit。rs)即很容易遭到熱傷害，某些塑膠封裝的IC本體(如PBGA類)也常發(fā)生爆米花(Popcorn)式的龜裂或變形。至於長時(shí)段高溫后的板彎板翹，更將是司空見慣俯拾皆是。有時(shí)連綠漆也會(huì)變軟，以致所產(chǎn)生的錫球錫碎也為之額外增加。外觀即使還過得去，其功能上的障礙亦在所難免。而且此等高焊溫與長焊時(shí)的無鉛焊接，惡劣者甚至可能造成目前含鹵板材(環(huán)氧樹脂含臭之重量比約20％以上)的裂解，更糟時(shí)還會(huì)出現(xiàn)巨毒戴奧辛(Dioxin)的風(fēng)險(xiǎn)。因而無鉛焊接還必須配合無臭高Tg板材的同步上線，方不致功虧一簣為德不卒。其實(shí)無鉛焊料也并非絕對(duì)無害於環(huán)境，所加入的銻與銀含量亦無法通過EPA之溶出試驗(yàn)。

圖2。無鉛SnAgCu波焊(275<℃)之焊溫已較現(xiàn)役SnPb者(250℃)高出20—30℃，且預(yù)熱時(shí)間也須延長。

圖3．此為現(xiàn)役Sn趵錫膏與無鉛錫膏之兩種熔焊，在峰溫與焊時(shí)方面的比較，后者峰溫已達(dá)250~C，時(shí)間也延長到50秒以上
二、通孔波焊容易發(fā)生環(huán)面焊點(diǎn)浮裂
通孔中插腳經(jīng)波焊后，其引腳與焊環(huán)之間所形成的無鉛填錫體(Fillet)，很容易會(huì)從銅質(zhì)焊環(huán)表面向上翹起浮離；以含鉍者最糟。通常該等焊點(diǎn)之愈外緣處裂口最大。經(jīng)過許多業(yè)者針對(duì)其各種失效機(jī)理之深入分析，可從下圖及圖說中窺得一二。

圖4．此圖即為無鉛焊料波焊后其通孔焊環(huán)面填錫體所發(fā)生”浮裂”(Fi11etLining)之情形。原因是出自無鉛焊料在X與Y方面的熱脹系數(shù)(TCE)大於PCB；而電路板在Z方向的TCE又超過無鉛焊料，於是冷卻收縮中雙重剪應(yīng)力(ShearForce)兩害相逼之下；又加上液化熔點(diǎn)(LiquiduSPoint)與固化熔點(diǎn)(SolidusPoint)之間的不良漿態(tài)范圍(PaStyRange)甚寬，以致延遲固定等各種負(fù)面效應(yīng)的累積，造成此種前所少見的特殊缺失。幸好經(jīng)過各種可靠度考驗(yàn)后，此種浮裂還不至進(jìn)一步惡化。在無法徹底避免前，於是就有人提出乾脆一律視為正常算了。

圖5．此三圖即為”Bi-Segregation”失效的過程說明。左二圖表示降溫接近固化點(diǎn)時(shí)，含鉍焊料的某些侷部份區(qū)域，會(huì)從漿態(tài)先行硬化而成為固態(tài)，形成魚骨狀的Dendrite，同時(shí)還會(huì)將鉍原子趕出到鄰近尚處於液態(tài)的焊料中。當(dāng)鉍接近銅面時(shí)還會(huì)進(jìn)一步妨礙銅錫之間良性IMC的形成，終而減弱了介面的固著力而出現(xiàn)所謂的鉍裂。右圖一說朗無鉛焊料輿銅墊間生成“多鉍”（Bi—RiCh)的不良薄層后，又加上焊料與板柏兩者收縮中剪應(yīng)力的雙重打擊，於是造成了垂直的浮裂。
目前已研究出解困的方法有二：其一是焊后之降溫刻意加速冷卻之；其二是錫鉍之外再另加第三或第四種金屬。此等手法不但可使得焊點(diǎn)合金的微結(jié)構(gòu)(MiCroStruCture)更為細(xì)膩化，還可對(duì)此種Bi—Segregation的致命傷予以降低，并更能減少鉍成份往銅體移動(dòng)的趨勢。
三、無鉛焊料不可匹配現(xiàn)行有鉛之噴錫處理
凡採用無鉛焊料時(shí)，其板面焊墊或零件腳等，所有表面之可焊處理層均不可含有鉛份。否則焊點(diǎn)將因少量之廠鉛污染』，進(jìn)而造成子L環(huán)焊點(diǎn)的浮離。原因是焊接中少許鉛量也會(huì)往銅介面處移動(dòng)，在Cu。Sn，良性工MC的不易形成下，將很容易出現(xiàn)浮離裂口(見前圖2。之右下小圖)。
且含鉍者尤其對(duì)鉛污染非常敏感，因此等鉛污染會(huì)使得焊點(diǎn)組織中形成Sn-Pb-Bi三相共熔之侷部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而會(huì)帶來焊點(diǎn)強(qiáng)度不足的隱憂。下左圖為熱震盪(ThermalSh。Ck)前的微晶結(jié)構(gòu)，右圖為熱震盪后的微晶結(jié)構(gòu)。此種共晶式強(qiáng)度不足的缺失，加入2—3％的錮（Indium）即可得到改善。

圖6．無鉛焊料中含鉍者，固然可擁有熔點(diǎn)降低及價(jià)格便宜的好處，但其缺點(diǎn)除了會(huì)發(fā)生“鉍裂，之外，經(jīng)過熱震盪后還會(huì)發(fā)生粗大不良的冉結(jié)晶，以致焊點(diǎn)可靠度也為之不足。
四、表面貼裝元件(SMC)熔焊之浮裂與空洞
採用無鉛錫膏對(duì)SMC進(jìn)行熱風(fēng)或熱氮?dú)庵酆?Ref1oWSo1dering)時(shí)，其焊點(diǎn)強(qiáng)度也不夠好，同樣也會(huì)發(fā)生類似波焊之焊點(diǎn)浮裂情形(Fi11etLifting)。不過其失效原因與通孔環(huán)面之浮裂者并不完全相同，而是出自於板彎板翹所形成外力的進(jìn)裂(RuptureS)所致。當(dāng)然含鉍無鉛焊料之固化過程中，鉍含量會(huì)往銅面遷移的惡行，已公認(rèn)是固著力不足無法抵賴的真正原因。再者SMC本身大小不同且又與板面相差很大，致使其等熱容量(ThermalCapaCity)也極為懸殊。凡溫差梯度愈大者，其焊點(diǎn)強(qiáng)度也愈必定糟糕，反之亦然。故採用無鉛焊接之SMT者，必須要設(shè)法降低板面與元件之間的溫差，才可舒緩焊點(diǎn)強(qiáng)度不足的苦惱。

圖7．此二圖為表面貼裝元件，其焊點(diǎn)強(qiáng)度與可靠度之破壞性檢測方法之示意圖。此種破壞性之式最常用於BGA式之球腳元件。
最常見【錫銀銅】無鉛焊料之比重為7．5，現(xiàn)行之錫鉛(63／37)比重為8．4。比重變輕了，使得液態(tài)時(shí)的表面張力也隨之增大，因而所形成的空洞也自然會(huì)多一些。但從X—Ray的檢查中，【錫銀銅】所出現(xiàn)的空洞仍比其他無鉛焊料還要少，這也是錫銀銅被眾所認(rèn)同的優(yōu)點(diǎn)之一。
五、無鉛焊料容易造成板材的CAF問題由於無鉛焊接之溫度已高出3?！妫矣忠颥F(xiàn)行免洗助焊劑之活性不足，而不得不改用非揮發(fā)有機(jī)物之水溶性者(VOCFreewaterBaSed)，於是高。熱久留又加上活性較強(qiáng)的化學(xué)作用之下，其水火夾攻下很容易會(huì)使板材發(fā)生“玻纖紗陽極性漏電”(CopnduCtiVeAnodiCFi1ament)的后續(xù)痛苦。此所謂CAF者系指電路板中電位不同的兩導(dǎo)體(即指已有偏壓存在)，若又被同一束玻纖紗所搭連者，在高溫高濕與偏壓惡劣環(huán)境所摧殘下，常會(huì)發(fā)生銅導(dǎo)體的腐蝕，進(jìn)而出現(xiàn)銅鹽由陽極往陰極遷移而漏電之不良行為，即謂之CAF。日本業(yè)者提早採用無鉛焊接，因而在板材之CAF問題上也最先受害，目前已悉數(shù)要求全用Anti啊CAF的板材了。

圖8．此為臺(tái)灣ISo]a公司所提供CAFGrowth(紅色部份)的示意圖與原文之內(nèi)容說明，對(duì)CAF發(fā)生經(jīng)過之瞭解頗有助益。不過目前臺(tái)灣基板業(yè)者所進(jìn)行之CAF試驗(yàn)皆為日式規(guī)格，并非美式背板之高階規(guī)范，且工PC亦尚未具備完整之試驗(yàn)方法。
解決辦法是避免使用強(qiáng)活性松香RoSin的水性F1uX，儘量降低焊溫。等，然而對(duì)於無鉛而言，這都將是遙不可及的虛幻目標(biāo)。最好是還是改用Anti—CAF品質(zhì)良好的板材，以徹底解決無鉛的頭痛問題。
無鉛焊接的板材中除了上述的CAF問題外，板面上彼此相鄰兩導(dǎo)體之間，也另會(huì)發(fā)生銅鹽的遷移行為，而出現(xiàn)樹枝狀的生長與蔓延，此即另一種惡名昭彰的DendSiteS。

圖9．當(dāng)板面相鄰之兩導(dǎo)體，若處於高溫高濕及電解質(zhì)的環(huán)境中，且兩導(dǎo)體之間又存在著電位差的偏壓(BiaS)時(shí)，則在板面上很可能會(huì)出現(xiàn)如樹枝狀的DendriteS，其破壞絕緣性的后患可想而知。
六、無鉛焊點(diǎn)表面粗糙，抗疲勞強(qiáng)度不足
一般無鉛焊料所形成的各種焊點(diǎn)較易氧化，不但外觀會(huì)呈現(xiàn)粒狀昏暗無光的形紋，而且晶粒粗大結(jié)構(gòu)粗糙，抗疲勞性(FatigueLife)亦遠(yuǎn)遜於Sn63／Pb37，其主要原因就是含錫量太高所致。有效的解困的辦法是焊接后加速焊點(diǎn)的冷卻，如此將可使結(jié)晶變細(xì)，外表也變的更為平滑光亮，。是故使用無鉛焊料的各式焊接機(jī)具，其焊后必須改採高速率之冶卻系統(tǒng)，以提升無鉛焊點(diǎn)鉛焊點(diǎn)的可靠度。

圖10．上二實(shí)像圖為95．5Sn／3．8Ag/0.7Cu之錫膏焊點(diǎn)，由於含錫量太高，不但外觀不亮而且表面也非常粗糙。下二圖為相同之無鉛式錫膏，但焊后冷卻速卒不同，導(dǎo)致晶大小也有所差異。
七、錫須問題TinWhisker
（一）、壓縮性內(nèi)應(yīng)力為生須的主因
由於各種無鉛焊料或某些無鉛表面處理層的含錫量都偏高，經(jīng)過長時(shí)間老化后即容易在密集線路之間發(fā)生“錫須”短路的困擾。1998年秋美國NASA曾發(fā)現(xiàn)軌道中的商業(yè)衛(wèi)星，其某一Re1aY即出現(xiàn)過錫須的問題。由經(jīng)驗(yàn)可知，電鍍純錫的后續(xù)使用歲月中幾乎一定會(huì)生須，尤其是光澤性電鍍錫，幾乎是立竿見影絕無僥倖。妙的是只要加了鉛含量10％以上時(shí)，經(jīng)驗(yàn)中即可防止此種致命的缺點(diǎn)。將來銅面上各種高錫量的無鉛焊料，想要避免錫須恐怕就不太容易了。
多位專家追究其根本原因時(shí)發(fā)現(xiàn)，幾乎可以確定廠應(yīng)力，是生須的主要原因。一旦焊料或表面處理層中摻人有機(jī)雜質(zhì)而影響品格正常發(fā)展組成者，即將會(huì)存在壓縮性的內(nèi)應(yīng)力(ComPressiVeInnerStress)，且愈厚愈糟。錫須的發(fā)生其實(shí)就是一種“釋放應(yīng)力”的行為，有時(shí)連綠漆底下或護(hù)形漆(ConformalCoating)覆蓋區(qū)也照長錫須不誤。另一根本原因(RootCause)是當(dāng)銅份滲入錫體形成Cu6Sn7的工MC之際，同時(shí)也造成純錫原子被排擠出去，於是就逐漸而形成錫須(見后圖34)。
表11．鍍錫層中有機(jī)雜質(zhì)與外來應(yīng)力對(duì)生須長度的影響

以光澤性電鍍錫為例，由于有機(jī)物參與鍍層甚多，早已成為生須的第一一要犯。至於半光澤的tinSn雖然生須的趨勢已大為減少，不過一旦遭受外來的壓縮應(yīng)力時(shí)，則二者皆難逃厄運(yùn)。

圖12．由左圖可知光澤錫鍍后5個(gè)月，即開始快速生須，而緞面半光澤錫則未見生須。但由右圖得知幾遭到壓縮性的外應(yīng)力后，兩者皆會(huì)生須。
（二）、加鍍底鎳與回火后不易生須
常見的錫須是一種單晶的成長，直徑約1—5μm，長度有時(shí)可達(dá)10mm，有時(shí)會(huì)生長好幾年之久。只要在50℃與RH50％以上的加速老化環(huán)境者，就會(huì)長須。業(yè)者也發(fā)現(xiàn)若銅面先鍍有底鎳(1．5μm以上)層時(shí)，則絕大部分錫須問題可迎刃而解。原因是鍍錫層本身結(jié)晶片會(huì)呈現(xiàn)“伸張性應(yīng)力”(TenSiStresS)，并又阻擋廠劍司份往錫體中的遷栘，于是就不再發(fā)生錫須。然而最近Motoro1a與Ship1ey又發(fā)現(xiàn)即使有了底鎳鍍層，仍然還會(huì)生須，只是時(shí)間忍耐較久而已。

圖13。左圖為電鍍錫鉛之處理再經(jīng)錫銀銅(3.8Ag／0.7Cu)之錫膏熔焊，之后又再經(jīng)一55℃一85℃之500次溫度循環(huán)后，所出現(xiàn)的錫須情形。右圖為Cu6Sn5之IMC擠向面錫層而出現(xiàn)錫須的初步。此二圖均為Motor0la在ECWC2003所發(fā)表者。
近來著名通訊大廠LuCent研究者們發(fā)現(xiàn)，Cu6Sn5，的工MC層會(huì)有一種往面錫層擠靠的趨勢，因而容易迫使純錫層生須(見圖18)，但鎳面的Ni3Sn4的IMC層，卻呈現(xiàn)往底鎳層進(jìn)逼的行為，因而較不易生須，然而老化過久者還是無阻止生須。
有時(shí)TinWhiSkers會(huì)出現(xiàn)各種不同的形狀，如Filament，Nodu1e，C0lumn，Need1e，或Mou11d(丘狀)等，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)造成短路的問題。通常電鍍光亮錫時(shí)(硫酸亞錫)，最容易發(fā)生錫須而且還會(huì)不斷生長，至於霧面錫(Matte7in，或稱SatinBright緞面錫)之結(jié)晶較為粗大及穩(wěn)定，而厚度又不超過10μm時(shí)，其發(fā)生的機(jī)會(huì)將大為減少，也較易達(dá)成平衡而不至繼續(xù)生長。目前解決方案還不多，可將完工的鍍錫層另在170℃高溫中回火(Annealing)1小時(shí)，多半可使癥狀消除。不過此法卻也會(huì)使IMC長的更快，其實(shí)也并非良好的對(duì)策。

圖14.左二圖說明當(dāng)晶粒的尺碼(GrainSize)介於2—5微末之間時(shí)，則結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定生須現(xiàn)象較少。但當(dāng)右圖中之粒度縮小到l／Jm以下時(shí)，其結(jié)構(gòu)中之內(nèi)應(yīng)力將開始累計(jì)，而使得生須的潛力人為增加。此種內(nèi)應(yīng)力的彼此擠壓下，會(huì)出現(xiàn)再結(jié)晶的效應(yīng)，進(jìn)而逐漸發(fā)生錫須。

圖15.左二圖為光亮鍍錫之生須，未受外應(yīng)力者四個(gè)月可長到245μm，受到外來壓縮應(yīng)力者四個(gè)月竟長到312μm多。右二圖為霧面鍍錫之生須，未受外力者兩個(gè)月長到7μm，受到拉伸應(yīng)力(TensileStress)者兩個(gè)月后亦長列12μm，以上皆~LucentTech~的研究。

圖16．電鍍錫過程中其錫原子沉積的表面，若已呈現(xiàn)螺旋型的差排(SCrewDisl。Cati。n)者，於是新登陸的錫原子就只能按差排線的方向著落在有缺陷的結(jié)晶格子上，此種潛在性的內(nèi)應(yīng)力，就成錫須的主因了。
（三）、愈厚愈老化愈生須
純錫鍍層愈厚時(shí)，有機(jī)物雜質(zhì)愈多，內(nèi)在壓縮應(yīng)力愈大，當(dāng)
然就愈容易生須。產(chǎn)生Cu6Sn7不均勻性的IMC層，且又出現(xiàn)往面錫層推進(jìn)的現(xiàn)象者，當(dāng)然一定定會(huì)生須。不過若面錫表層已累積了氧化錫層時(shí)，幾可阻止錫須的冒出。然而一旦尚存在純錫的破綻處，則一定會(huì)自該處破土而出?。ㄒ妶D18）

圖17.此為電鍍純錫其現(xiàn)場立即監(jiān)測內(nèi)應(yīng)力所得之結(jié)果，明顯可看到當(dāng)光澤錫的厚度愈厚時(shí)，其壓縮應(yīng)力(即內(nèi)應(yīng)力)也愈大。至於緞面半光澤錫雖在電鍍的當(dāng)時(shí)未見內(nèi)應(yīng)力，但老化后仍難逃厄運(yùn)。

圖18.銅面直接鍍純錫時(shí)，老化中將會(huì)產(chǎn)生Cu6Sn5的IMC,此IMC層會(huì)往面錫層產(chǎn)生一種擠靠的作用，進(jìn)而逼迫純錫層擠出錫須。且只會(huì)從表面無Sn。薄膜的缺口處不斷長出。
為了預(yù)測純錫層是否會(huì)生須的問題，歐美日三方業(yè)者正在研究可能模擬仿真的方法，如高溫的加速老化，或溫度循環(huán)試驗(yàn)等。至于自然老化，則目前尚未訂定出最適宜的對(duì)比做法與允收標(biāo)準(zhǔn)，
統(tǒng)計(jì)文獻(xiàn)中各種之事實(shí)發(fā)現(xiàn)與原因追究，可將錫須生長的機(jī)理整理如下，以供讀者參考：
◆鍍錫層本身出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力亦即殘余應(yīng)力者，將造成原子間彼此排擠壓迫，進(jìn)而持續(xù)性的推出一個(gè)單晶，以減除所存在的壓力。通常光亮鍍錫要比霧狀鍍錫更易生須
◆甚至外來機(jī)械應(yīng)力，尤其是壓縮性應(yīng)力，也會(huì)造成錫須。
◆銅面直接鍍錫者，當(dāng)界面形成Cu6Sn5的IMC之際，將對(duì)面錫造成壓力，也會(huì)將錫須不斷的擠出去。而且IMC的形成越不均勻越為老化時(shí)，則越容易生須。
至于其他原因仍尚待繼續(xù)研究
八、結(jié)論
無鉛焊料不但要來而且還會(huì)來的很快，在“客戶永遠(yuǎn)是對(duì)的(CuStomer is a1ways right!)生意原則之下；出錢者老大的態(tài)勢，再加上歐美客戶先天優(yōu)越的心理因素；關(guān)鍵時(shí)刻黃皮膚的代工者，想據(jù)理力爭爭挽回頹勢，其成功機(jī)會(huì)豈非緣木求魚面杖吹火呼？
好在一般讀書不多的歐美洋客，只是在英文表達(dá)方面確實(shí)高於無鉛焊接之全新製程，不但基本知識(shí)涉及甚少，深入技術(shù)原理不懂，實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)方面當(dāng)然更是不知所云。然而其於拒收時(shí)高姿態(tài)的嘴臉，與其膚淺固執(zhí)之認(rèn)定，確實(shí)今人難以消受。飽經(jīng)洋氣之餘還須小心服侍，希望能在高抬貴手下順利出貨換回銀子。此時(shí)，除了機(jī)智、禮貌外，業(yè)者對(duì)於焊接基本原理的學(xué)習(xí)，對(duì)於無鉛焊接整體的熟念，對(duì)于前人已獲得各種寶貴經(jīng)驗(yàn)的借鏡，在在都必須要及時(shí)努力與認(rèn)真掌握，以Knowledge is Power的態(tài)度來迎接無鉛焊接！

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