与有铅焊料相比，由于无铅焊料的熔点高，润湿性差。故在PCBA无铅焊接中，经常会发生人们不大熟悉的特有的缺陷及故障现象，从而使PCBA加工厂对无铅产业化的顺利推进带来了负面影响。本文针对PCBA无铅波峰焊接特有的缺陷及故障现象的形成机理及其危害，进行了较深入的分析和讨论。

一、透孔不良

1、现象：波峰焊接中钎料不能透入引脚的导通孔中，如图6所示。

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图6透孔不良

2、形成原因：

1）助焊剂未渗透到孔内；

2）助焊剂在预热阶段损失过多，进入波峰后数量不足；

3）助焊剂活性不足；

4）焊接热量不足，导致钎料润湿性不良；

5）元器件焊端或PCB焊盘和导通孔可焊性不良；

6）元器件热容量过大或散热过快。

3、可接受性：L≥75%T，如图7-图8所示。

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图7可接受的，图8不可接受

二、钎料缩孔和热裂

1、现象：裂缝是一种出现在PCBA无铅焊点表面上的裂缝形的小切口或小间隙。如图9、图10所示。

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图9缩孔，图10热裂

2、形成原理

目前对无铅焊点出现的微裂隙原理有下述几种解释：

1）由于热胀冷缩机制再加上钎料在凝固过程中存在一个糊状阶段，此阶段正是钎料强度很脆弱的时刻。因此，钎料最终固化成的表面就必然出现不少微裂隙的粗糙表面；

2）由于这一部分糊状体是最后凝固的，固化过程中其体积要缩小4%左右，由于体积的缩小就会在枝晶间形成了凹陷部分(缩孔)。

3）元器件引脚镀层熔解浸入焊点内，少量的Pb或Bi的残余会优先驻留在晶粒的边界上，引起早期晶粒边界的裂隙。

4）孔大引脚细，故设计时应采用适当的引脚直径/孔径比例；

5）合金污染，操作中应监控合金污染程度，特别是Pb；

6）冷却速率不合适：快速冷却，裂纹多，但是浅；慢速冷却，裂纹少，但是深。

3、形成机理

当采用SAC钎料合金进行波峰焊接时，由于热容量大的接合部的冷却时间要长些，因此在钎料表面易发生缩孔现象。

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图11缩孔形成机理

图11描述了使用SAC钎料合金在波峰焊接过程中，表面缩孔的形成机理。钎料在凝固过程中，最后凝固的是填充在已经凝固的树枝状Sn相结晶间缝隙中的Sn-Ag3Sn共晶相。Sn-Ag3Sn共晶相凝固过程中，首先发生在表面的凝固收缩现象不断向内部发展，其结果便形成了洞穴。由于该洞穴是发生在树枝状Sn相结晶之间的缝隙中，故从外观上看是由裂缝形成的缩孔。

日本有专家对缩孔和由金属疲劳而引发的裂缝的焊点，进行了专题试验研究。试验是以SAC钎料合金的焊点为对象，按-40～125℃各30min的条件进行温度循环试验，1000次循环后用扫描电子显微镜观察钎料表面状态，如图12所示。

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图12SAC钎料合金缩孔和金属疲劳产生裂缝表面状态的差异

对缩孔和由金属疲劳引发的裂缝之间的差异，试验研究的结论是：

1）缩孔和裂缝的形状不同：缩孔的表面是非常光滑的；而由高、低温循环试验形成的金属疲劳裂缝，其表面形状呈尖锐状。

2）形成的原因不同：缩孔是由自然凝固形成的；而金属疲劳裂缝是由周期循环应力作用形成的。

3）发生的位置不同：缩孔是发生在焊台中央附近钎料较厚的部位，而金属疲劳裂缝是发生在引脚附近或孔角上方钎料较薄的部位。

4、可接受性

无铅波峰焊接工艺中极易发生缩孔和热裂现象，要获得像Sn37Pb那样表面平整光滑的焊点几乎是不可能的。问题是对这类焊点从可靠性角度出发，在什么样的情况下是可以接受的。

通过广泛的试验研究和论证，目前业界普遍认为热裂/缩孔只要其不大深(可见到其底部)时，大多情况下很少影响PCBA的可靠性，因而，这种缺陷是可以接受的，如图13所示。

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图13热裂纹可见到底部

而当缩孔或热裂纹出现下述情况时，则可判为不合格焊点。

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图14目视时深不见底

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图15已触及到焊盘，图16已触及到引脚，图17已触及到孔壁

1）缩孔或热裂纹大深，不见底，如图14所示；

2）缩孔或热裂纹已触及到焊盘，如图15所示；

3）缩孔或热裂纹已触及到引脚，如图16所示；

4）缩孔或热裂纹已触及到孔壁，如图17所示。

三、焊缘起翘

1、起翘的定义

在无铅波峰焊接后，在基板、焊料、元器件引脚界面引起的剥离现象，总称为起翘现象。从广义上讲，无铅波峰焊接工艺中发生的起翘现象，和机械疲劳破裂而引起的剥离现象是不相同的。无铅波峰焊接所发生的起翘现象，可区分为下述四种不同的类型：

1）角焊缝起翘剥离：此现象的特征是：起翘都是发生在焊盘和焊料相连接的界面上或附近。

2）焊盘剥离：焊盘剥离是发生在基材与焊盘之间的分离现象。

3）在基材内部剥离：此缺陷的特征是剥离发生在焊盘下的基材内部。

4）焊料和引脚间的剥离：焊料和引脚之间分离的主要表现形式。

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，外观观察是较难发现的，通常要切片分析才能观察到。

2、起翘现象发生的机理

1）发生起翘的金相组织特征：为了搞清楚起翘的形成机理，首先必须了解起翘的金属组织特征。图25示出了用Sn3Bi合金焊接金属化通孔的状态。从图中可见，焊料圆角和Cu焊盘间有数μm的浮起。从图24中可以明显地看到焊料圆角表面的组织状态是呈树枝状结晶，由此揭示了凝固过程不是在同一时间内进行的证据。

日本学者菅沼克昭通过试验得出了，在焊点圆角内各点的固化率达到0.9时的时间分布，如图26所示。

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图25用Sn3Bi合金焊接金属化通孔时的起翘现象

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图26焊点凝固过程的温度分布模型

从图26中可见，对Cu引线、Cu焊盘和通孔内的Cu镀层紧密连接的区域，焊料的凝固时间将明显迟后。由于Cu的热传导（热传导系数为389W/m•k）比基板（热传导系数为0.301W/m•k）大了1292倍，就是比SnBi合金也大了约13倍。因此，在PCBA加工焊接过程中在通孔内基板中心储藏的大量热量，只能先传递给Cu，然后再向外部传导散发。即此没有Bi等溶质的偏析发生，和焊料圆角相接触的Cu焊盘面的液相状态，将保留到凝固的最终阶段。因此，当沿界面的垂直方向受到力的作用时，便很容易发生起翘现象。

液态焊料开始冷却凝固时，树枝结晶组织首先凝固成固态的结晶核，在此基础上并不断发育成长，焊料圆角的表面便形成了明显的凹凸不平，如上图26所示。

在凝固过程中，在液体中最初生成的是稳定的微小固体的核，从核到固体的生成中，由于受结晶方位等的影响，最终发育成树枝状。树干部分叫成一级结晶干，枝叫成二级结晶干。充满在干与干，枝和枝之间间隙中的熔液，到凝固的最后瞬间还是液态。合金的溶质原子（如Sn）从熔液体中析出便生长成固体的树干，而如果是SnBi合金时，在圆角的间隙里，即表面的凹陷部分，便生成了Bi的微偏析。从圆角的横断面看，Bi的偏析在圆角的间隙中生成的范围为数μm到数十μm。

合金元素对起翘现象的影响，Bi是最明显的，In、Pb也有影响。

2）起翘发生的机理：导致无铅焊接中焊盘起翘和焊点开裂主要有下述几个原因：

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，面积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时，只要圆角有热收缩便会从基板上翘起来，而且一旦翘起来就不能复原。

沿Z轴方向PCB基板材料(环氧玻璃)FR-4薄片和铜箔导线，以及铜过孔之间的热膨胀系数(CTE)存在明显的差异。

而且PCB基板沿厚度方向的热胀系数(CTE)还与温度有关，例如：。当温度为：

(23～103)℃时：CTE＝80×10-6；

(103～153)℃时：CTE＝220×10-6；

(153～217)℃时：CTE＝340×10-6。

假定PCB板厚为2mm，那么当PCB由23℃升至217℃时的总热膨胀尺寸为：

△L＝2.0×{80×(103－23)＋220×(153－103)＋340×(217－153)}×10-6＝78320×10-6＝78.32×10-3mm

而Cu的CTE＝17×10-6，可计算得过孔镀铜层的热膨胀尺寸为：

△C＝2.0×17×(217－23)×10-6＝6596×10-6＝6.596×10-3mm。

上述二者热膨胀尺寸之差达到了71.724×10-3mm(13.87倍)。如此之大的差异，导致了焊点尚未凝固时就被CTE的巨大差异所拉裂了。

不同的基板材质，在波峰焊接中发生起翘现象也是有差别的。图29以连接器的焊点为例，在不同的基板材质情况下发生起翘情况的比较。

条件：焊料：Sn3.0Ag0.5Cu；焊接温度：250℃；冷却方法：自然冷却；焊盘直径：φ1.6mm；引脚电镀：Sn0.7Cu；部件：连接器(2.54mm，□0.64mm)。

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图29不同的基板材质起翘情况比较

3、从起翘发生的机理看抑制的对策

1）影响起翘发生的各种因素：涉及起翘现象的发生及其影响的各种因素。

2）抑制的对策

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：

a.釆用单面基板。

b.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。

c.不用镀SnPb的插入引脚元器件。

d.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，例如釆用水冷就能有效的抑制树枝状结晶的形成。在实验室条件下，用水冷形成的焊接圆角，就没有发生微偏析，由此试验可知冷却速度愈大效果愈好。

e.慢冷却：冷却过程中在发生起翘前停止温度下降，即用退火的方法来降低起翘的发生率。

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。树枝结晶主干的退火也兼有减轻残留应力的作用。

f.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，这是最期待的方法，然而到现在还未找到有效的解决策略。

g.阻止Cu的热传导：在基板设计时用热传导较差的的金属替代Cu，除去通孔内的Cu柱（孔壁镀层），或者考虑引入隔热层和釆取基板热传导好的散热设计等。也可以釆用有内部电极的多层基板等。

h.釆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要大。减小该值即能减小起翘的发生。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，体积的收缩却达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，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。

i.基板的热传导设计：通过对基板的热传导设计，以实现基板内热量的有效散失。

j.焊盘尺寸和波峰温度：焊盘直径大小对焊盘剥离率也有较大影响，当釆取阻焊膜定义焊盘时，其抑制率几乎可达100%，如图33所示。温度及焊接气氛对起翘高度的影响。

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