焊接无铅化不可避免 图一
随着近年来电子行业的飞速发展，废弃电子产品所带来的环境影响越来越被人们所重视。而电子产品连接材料中富含的铅，不但会对环境造成很大影响，而且会对人体健康产生危害，因此电子产品的无铅化已经势在必行。针对此种现象，欧盟从1993年开始研讨，并于2003年2月13日公布了第2002/96/EC号及2002/95/EC号《报废电子电气设备指令》和《关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令》，前一指令除对报废电子电气设备的回收和处理作出特殊规定外，还规定回收费用由生产者承担；后一指令要求自2006年7月1日起在欧盟市场禁止销售含有铅、汞等6种有害物质的电子电气设备。
对于该指令的出台，众多国外电子产品制造商早已有所准备。日本的制造商如Panasonic、Sony、Toshiba、Pioneer、NEC等，早从2000年就开始导入无铅化制程，至今已基本实施无铅化制造，并已在日本及欧美市场上推出"绿色环保"家电产品。
此外，欧美的企业也已公布了无铅化进程的路线图（如图一所示）。该路线图详细规划了产品中所有材料均实现无铅化的进度计划，图中颜色条表示不同厂商无铅化进程的时间差异，绿色笑脸表示所有厂商的平均目标。
无铅化焊接取代目前的含铅工艺，已是大势所趋。
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无铅化焊接给焊点可靠性带来的问题
与传统的含铅工艺相比，无铅化焊接由于焊料的差异和工艺参数的调整，必不可少的会给焊点可靠性带来一定的影响。首先是无铅焊料的熔点较高。传统的Sn-Pb共晶焊料熔点是183℃，而无铅焊料的熔点一般都在217℃左右，温度曲线的提升随之带来的是焊料易氧化、金属间化合物生长迅速等问题。其次是无铅焊料的润湿性能差。由于无铅焊料不含Pb，润湿性差，容易导致产品焊点的自校准能力、拉伸强度、剪切强度等不能满足要求。以某厂商为例，原含铅工艺焊点不合格率一般平均在50ppm（0.05%）左右，而无铅工艺由于焊料润湿性差，不合格率上升至200～500ppm（0.2～0.5%）。
鉴于无铅化焊接焊点可靠性存在的诸多问题，我们有必要对此进行一些探讨分析。
无铅工艺焊点可靠性设计
与传统的含铅工艺相同，影响无铅工艺焊点可靠性的因素也可以大致分为三方面：
1.设计：PCB的设计合理问题。如焊盘设计不合理，发热量大的元件密集分布，或者相邻高大元件在回流焊时产生"高楼效应"，形成热风冲击等，此处不作详谈；
2.材料：零部件的供应质量问题。由于各部件均来自于不同厂商，因而部件质量难免参差不齐，如器件引脚可焊性不足等。这里比较典型的一个例子是PCB板焊盘质量问题。由于以前的热风整平（HASL，hotairsolderleveling）焊盘涂层工艺存在的缺点，如今的OEM厂商应用较广泛的包括有机可焊性保护层（OSP，organicsolderabilitypreservative）和Ni/Au涂层工艺。其中Ni/Au涂层又有浸金法和镀金法两种，浸金法由于工艺简单而较受国内厂商青睐，但此法难于控制Au层厚度，常会出现Au层厚度不足，导致其下的Ni层氧化，进而影响回流焊接时焊点性能。对于此种情况，厂商一般可用俄歇电子能谱仪（AES，augerelectronspectroscopy）精确测量PCB焊盘的Au层厚度是否符合规格；
3.工艺：SMT工艺流程问题。包括了焊料储存温度不当，焊盘焊料不足，回流焊温度曲线设置不当等问题。此处需注意的一点是含Bi无铅焊料的使用问题，经公司研究人员研究发现，含Bi焊料与Sn-Pb涂层的器件接触时，回流焊后会生成Sn-Pb-Bi共晶合金，熔点只有99.6℃，极易导致开裂的发生（如图二所示）。
因此对含Bi无铅焊料的使用，需注意器件涂层是否为Sn-Pb涂层。
无铅工艺焊点可靠性测试
为了确保设计和制定工艺的合理性，及出厂前检验产品的可靠性，须进行可靠性测试。在介绍无铅工艺焊点可靠性测试之前，首先对锡铅焊点可靠性测试方法进行简单介绍。
(1)对电子组装品进行热负荷试验（温度冲击或温度循环试验）；
(2)按照疲劳寿命试验条件进行对电子器件结合部进行机械应力测试；
(3)使用模型进行寿命评估。目前比较著名模型有低循环疲劳的Coffin-Manson模型，考虑到温度循环频率与最高温度的Norris修正Coffin-Manson模型及Engelmaier的最高温度与温度保持时间相关的疲劳寿命评估模型。简单讲如果考虑平均温度与频率的影响时使用修正Coffin-Manson模型，考虑材料的温度特性及蠕变关系时采用Coffin-Manson模型。
在无铅工艺焊点可靠性测试中，比较重要的是针对焊点与连接元器件热膨胀系数不同进行的温度相关疲劳测试。包括等温机械疲劳测试，热疲劳测试及耐腐蚀测试等（在后续文章中将会作详细介绍）。其中根据测试结果等温机械疲劳测试可以确认相同温度下不同无铅材料的抗机械应力能力不同，同时还表明不同无铅材料显示出不同的失效机理，失效形态各有不一（如图三所示）。热疲劳测试是用于考察由于热应力所引起的低循环疲劳对焊点连接可靠性的影响。
（通常采用的测试设备为爱斯佩克公司的在线测试系统，欲了解详情请单击此处）
图三
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