无铅波峰焊接过程中焊缘的起翘和开裂原因分析

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从今天起，自编文章会加入一段”金句”作序，希望大家喜欢，言归正传。
一、现象描述
在无铅波峰焊接后，在基板、焊料、元器件引脚界面引起剥离现象，其表现形式可分为下述四类。
1.焊缘起翘剥离
起翘大多都发生在焊盘和焊料相连接的界面上或在其附近，如图1和图2所示。
图1
图2
2.焊盘剥离
焊盘剥离是发生在基板与焊盘之间的分离现象，如图3和图4所示。
图3
图4
3.在基板内部剥离
此缺陷的特征是剥离发生在焊盘下的基板内部，如图5和图6所示。
图5
图6
4.焊料和引脚间的剥离
焊料和引脚之间的剥离的主要表现形式如图7所示。
图7
上述现象当引脚镀层为Sn10Pb时最容易发生。引脚和焊料之间的剥离现象，通过外观观察是较难发现的，通常要进行切片分析才能观察到。
起翘是无铅波峰焊接中的高发性缺陷，在单面PCB上不发生，只发生在金属化通孔的基板上，而且目前尚缺乏通用的对策。
对双面都有铜焊盘的金属化通孔的PCB进行波峰焊接时，发现在铜焊盘和焊料圆角的界面发生剥离现象。随后，又发现许多含Bi的合金也存在此现象。而且，即使不含Bi，只要搭载的元器件的焊端镀有SnPb合金，同样也会发生此现象。
作为电子产品无铅化面临的问题，特别是电子元器件电极含有铅镀层时，对起翘和剥离有重大影响。
二、形成原因
涉及起翘现象的发生及其影响的各种因素，归纳起来如表1所示。
表1
三、机理分析
导致无铅焊接过程中焊盘起翘和焊点开裂主要有下述几个原因。
1.材料间CTE严重不匹配。
基板和焊料、Cu等的热膨胀系数的失配是引发起翘现象的一个重要因素。基板是纤维强化的塑料（FRP），它沿板面方向的热膨胀系数小，可以确保被搭载的电子元器件的热变形小。作为复合材料，板面方向的热膨胀和垂直方向的热膨胀差异很大。沿板面垂直方向的收缩是很大的（例如，FR-4厚度方向的热膨胀系数CTE是Sn的10倍以上）。如果在界面上存在液相，则只要圆角有热收缩便会从基板上翘起来，而且一旦起翘就不能复原。
2.含Bi的合金的凝固模型及起翘机理。
含Bi的合金发生起翘的机理模型，如图8所示。
图8
首先，随着树枝状结晶的生长不断向液相中排出Bi，形成Bi的微偏析。而在Cu焊盘界面附近生长的树枝状结晶的端部，溶液中Bi的浓度增加，树枝状结晶的生长变慢。由于热量是从通孔内部向Cu焊盘传递的，所以在焊盘界面附近的焊料部分积存的热量较多，凝固迟缓。在从圆角上部进行凝固的同时，伴随着产生各种应力（凝固收缩、热收缩、基板的热收缩等），使圆角与焊盘产生剥离动作。由于Bi等溶质元素的存在促进了凝固的滞后，这便是起翘现象发生的根源。
从圆角上方开始的凝固过程，随所搭载的元器件的材质和大小而变化。热容量大的元器件冷却比较困难，这是因为只能通过引脚将热量传递至上方后散发。因此，基板越厚越容易发生起翘，因为在基板内部有较多的热量，由于热膨胀系数的失配效应将导致此结果。
在焊接过程中有Pb、Bi污染时，起翘将更明显。如果焊盘和基板间的黏附强度足够高，则焊料将从焊盘上分离开，引起焊缘起翘。
3.含Pb、Bi等合金元素的起翘发生机理，如图9所示。
图9
4.元器件引脚镀SnPb所产生的起翘现象。
引脚镀SnPb的元器件在波峰焊接过程中发生的起翘现象，和含有Bi的情况有所不同，前者多发生在基板的元器件面，而在焊接面几乎不发生。诱发引脚镀SnPb的元器件发生起翘现象的机理，如图10所示。
图10
首先，Pb存在于元器件引脚的表面，波峰焊接时因与波峰焊料接触而溶解的Pb沿着波峰焊料在通孔中流动的方向运动，最后积聚在基板Cu焊盘的界面处。因此，在基板下面（焊接面）的圆角中不存在Pb，而在上面Pb被浓化，最后到达并积聚在圆角和Cu焊盘界面处残留的液相中。镀层中微量Pb的存在是起翘的诱因，如图10所示。当Pb的成分为1%（wt%）时发生起翘最显著。
5.SnAgCu焊料合金中的Cu量对起翘的影响。
图11描述了SnAgCu合金中的Cu量发生变化时对起翘的影响。
图11
图11中表示了用SnAg共晶成分焊接引脚镀SnPb的元器件时起翘发生的程度，当Cu量增加到0.2wt%时，起翘的发生率达到最大。然后随着Cu量的增加，起翘发生率逐渐减小，当Cu量增加到0.75wt%时起翘的发生率达到最小，然后又缓慢增加。显然，共晶成分能使起翘发生率最小。因此，加强对波峰焊料槽中焊料成分的管理（如从引脚镀层中混入的Pb和从基板上溶入的Cu），对确保焊接过程的成功是非常重要的。
四、解决措施
针对凝固中发生的首位缺陷的起翘现象的抑制对策，主要可归纳如下：
1.采用单面基板。
2.不使用添加了Bi、In的合金。抑制固、液共存区域的宽度是非常重要的，而且为了避免从高温下开始凝固，期望液相线能尽量低些。
3.不用引脚镀SnPb的元器件。
4.加快焊接的冷却速度，防止树枝状结晶的形成，就意味着防止偏析的发生。例如，采用冷水就能有效地抑制树枝状结晶的形成。图12是在实验室条件下，用冷水形成的焊接圆角，没有发生微偏析。
图12圆角表面光滑，起翘现象被完全抑制
图13是在实际的波峰焊接设备上获得的效果图，可见冷却速度越快效果越好。
图13控制波峰焊接设备上冷却装置的冷却速度对抑制起翘现象的效果
5.慢冷却：在冷却过程中发生起翘之前停止温度下降，即用退火的方法来降低起翘的发生率，如图14所示。
图14 由冷却途中的退火降低起翘的发生率
由于退火促进了Bi的偏析，防止有害的偏析全集中在界面上。树枝状结晶主干的退火也兼有减轻残留应力的作用。
6.添加能使组织细化的合金元素：如添加微量的第3种元素，能有效地抑制Bi的偏析，这是人们最期待的方法，然而到现在还未找到有效的解决策略。
7.阻止Cu的热传导：在基板设计时用热传导较差的金属替代Cu，除去通孔内的Cu柱（孔壁镀层），或者考虑引入隔热层和采取基板热传导好的散热材料等设计。也可以采用有内部电极的多层基板等。
8.采用热收缩量小的基板材料：目前所使用的基板，沿厚度方向的收缩量比焊料和引线等都大，减小该值可以减小起翘的发生。例如，Sn37Pb合金的CTE是24.5×10-6，从室温升到183℃时，体积会增大1.2%；而从183℃降到室温时，体积的收缩却达到4%，故锡铅焊料焊点冷却后有时也有缩小现象。因此，有铅焊接也存在起翘现象，尤其在PCB受潮时。
无铅焊料焊点冷却时也同样有凝固收缩现象。由于无铅熔点高，与PCB的CTE不匹配更严重，更易出现偏析现象，因此，当存在PCB受热变形等应力时，很容易产生起翘，严重时甚至会造成焊盘剥落。
9.基板的热传导设计：通过对基板的热传导设计，可以实现基板内热量的有效散失。

10.焊盘尺寸和波峰温度：焊盘直径大小对焊盘剥离率有较大影响，当采取阻焊膜定义焊盘时，其抑制率几乎达到100%，如图15所示。



图15 焊盘直径对焊盘剥离率的影响（镀Ni/Pd，孔径为1mm）
温度及焊接气氛对起翘高度的影响，如图16所示。
图16 温度及焊接气氛对起翘高度的影响
根据樊融融老师的现代电子装联工艺缺陷及典型故障100例改编

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