談無鉛焊錫回流焊后錫面發(fā)黃

劉 浩 范銀星

（深圳和而泰智能控制股份有限公司，廣東 深圳 518057）

隨著歐美與中國ROHS（歐盟關(guān)于在電氣電子產(chǎn)品中限制使用等有害物質(zhì)的指令）法規(guī)的進一步加速覆蓋，無鉛化焊接是推動印制電路板（PCB）生產(chǎn)以及電子組裝行業(yè)變革與發(fā)展的熱點。無鉛化焊錫與傳統(tǒng)的錫鉛焊料想比，不僅組成體系不一樣，而且在各自性能上存在很大的差異。目前對無鉛焊錫體系進行研究與開發(fā)，以錫（Sn）金屬為基礎(chǔ)的無鉛焊錫可分為二元體系，三元體系，四元體系，但從低共（晶）熔點，表面張力，熔融焊錫與銅面的接觸角度、焊接溫度、焊錫助焊劑、潤濕時間以及焊點耐疲勞強度方面考慮，三元體系的無鉛焊錫被廣泛的應(yīng)用。三元體系的無鉛焊錫以Sn-Ag-Cu和Sn-Cu-Ni兩者居多。由于銀的價格成本因素考慮以及銀的焊點光澤度問題，往往PCB無鉛熱風(fēng)整平焊錫采用Sn-Cu-Ni三元體系的無鉛焊錫。作為興起的無鉛表面處理工藝，其焊料性能方面仍然存在一些不足，最頻出現(xiàn)的問題就是下游組裝廠商在高溫回流焊后，三元體系錫層很容易產(chǎn)生發(fā)黃問題。本文從此類發(fā)黃的角度，通過理論與實際相結(jié)合，探討如何避免發(fā)生此類的異常，滿足客戶外觀要求。

1 無鉛熱風(fēng)整平和回流焊過程

1.1 無鉛熱風(fēng)整平的過程

先將PCB放置于錫爐掛鉤上，將清潔好的PCB浸上助焊劑，浸入熔融的三元無鉛焊錫槽，從兩個空氣風(fēng)刀之間通過，用空氣刀的熱壓縮空氣把PCB上多余焊錫吹掉。排出金屬化孔內(nèi)的多余焊錫，使PCB導(dǎo)線線路上沒有焊料堆積，也不堵孔，得到一個平滑均勻而光亮的焊料涂覆層。熱風(fēng)整平焊錫涂覆工藝示意圖及設(shè)備（見圖1）。

圖1 熱風(fēng)整平焊錫示意圖及設(shè)備

1.2 回流焊參數(shù)

制程材料：錫膏，品牌：ALPHA。設(shè)備鏈速：（90±10）cm/min（見表1）。

表1 設(shè)備設(shè)置溫度

2 回流焊后錫面焊盤發(fā)黃分析

回流焊后外觀檢查錫面焊盤出現(xiàn)發(fā)黃，進行表面形貌觀察和成分對比分析（見圖2、圖3、表2、圖4）。

圖2 SEM（掃描電子顯微鏡）錫面形貌

圖3 SEM（掃描電子顯微鏡）焊錫剖面形貌

表2 EDS（電子擴散X射線能譜儀）圖譜

圖4 AES（線歇電子能光譜）圖譜

測試可見，發(fā)黃位置C、O元素含量增多，失效位置的富氧層（氧化層）比正常位置厚很多，表面錫的表面已經(jīng)氧化。錫的氧化分為常溫自然氧化和高溫狀態(tài)氧化，此種錫面層處在不同高溫條件下，也會產(chǎn)生不同的氧化程度。因此經(jīng)過回流焊后，錫面形貌發(fā)生了改變，可能是錫面氧化所致，也有可能是錫中間夾著這有機物高溫下分解所致。同時錫面回流變色與錫氧化層厚度有很大關(guān)系，隨著時間的推移以及回流高溫次數(shù)的增加，發(fā)黃程度越來越嚴(yán)重。此外發(fā)黃表面EDS-Cu元素，表明存在高溫下的合金層生長過快，已生長至錫層表面。

盡管目前下游組裝廠為了抑制錫面的氧化程度，回流焊加入惰性氣體氮氣作為保護氣體，但因為產(chǎn)品本身的成本因素，仍然希望上游PCB廠商對于錫面的抗氧化性進行改良。

3 錫面高溫下抗氧化弱的原因探討

3.1 印制板涂覆焊錫厚度

參考美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/IPC-SD-320B，其2.10、2.1涂層厚度要求，應(yīng)以焊料涂層的可焊性為原則。對于錫厚的要求，提高錫厚對于改善錫面發(fā)黃問題確實無良好改進，也容易導(dǎo)致SMT（表面安裝技術(shù)）生產(chǎn)中錫膏熔化的瞬間所形成的表面張力巨大差異，最終導(dǎo)致元件出現(xiàn)立碑效應(yīng)。（錫厚過薄，IMC（界面合金化合物）向錫面表層遷移。

高溫狀態(tài)下，Cu原子擴散速度要快于Sn原子，加之焊錫槽本身含有Cu，加劇此種現(xiàn)象發(fā)生，某種意義上而言，錫面發(fā)黃為錫面合金的顏色。下游組裝廠商為了延長PCBA（印制電路板組裝件）貨架壽命，再后續(xù)時間進行最后加工焊接，焊盤不允許任何變色。有些上游PCB廠商為了應(yīng)對此種特殊情況，完成一定錫厚的產(chǎn)品通過高加速壽命試驗來觀察錫面在持續(xù)變化的特定環(huán)境的穩(wěn)定性，為熱風(fēng)整平焊錫質(zhì)量改善過程中提供參考數(shù)據(jù)。故需要對焊錫涂覆層的厚度有規(guī)定，不能偏薄，一般建議涂覆焊錫層厚度4～5 μm左右。

3.2 添加微量Ge元素

盡管三元合金成分Sn-0.7Cu-0.05Ni復(fù)合焊料性能比Sn-Cu優(yōu)越，但為了進一步提供其復(fù)合性能，有研究者往往加入部分微量稀有元素Ge，以此來改良它的潤濕性能，融化特性以及力學(xué)性能。如下為某大型PCB廠商實際添加Ge焊料的影響，后續(xù)將Ge元素列入SPC（統(tǒng)計過程控制）重點管制（見圖5）。

圖5 添加Ge為0.0078%的焊料試驗

進行Ge含量0、0.0027%和0.0078%的試驗，Ge為0.0078%的焊料沒有錫面發(fā)黃。試驗表明Ge元素具有表面偏析的特性，當(dāng)微量元素Ge濃度達到一定范圍時，它會在液態(tài)Sn 表面高度富集，并形成一種致密的保護性氧化膜，從而提高Sn的抗氧化能力。避免了錫表面與高熱空氣狀態(tài)下形成氧化亞錫。焊料供應(yīng)商推薦水平Ge應(yīng)達到0.005%～0.008%。

此外，Ge焊料的添加能夠較低被金屬化合物吸收，讓焊料微觀組織明顯細化，IMC相晶粒尺寸減小到約10 μm，當(dāng)繼續(xù)微量添加到質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%時，細化的金屬化合物均勻分布在晶界處?？傊谘芯縎n-Cu-Ni焊料過程中，往往希望通過添加第四中元素來改善合金系的各項性能，內(nèi)部組織得到細化，IMC的生長得到抑制。

3.3 助焊劑殘留

對于助焊劑殘留類型有極性和非極性殘留物，這些殘留物經(jīng)過高溫回流焊，不可避免發(fā)生氧化分解反應(yīng)，引起錫面發(fā)黃變色。PCB水洗的過程同樣是一個稀釋的過程。熱風(fēng)整平焊錫后水洗過程控制方面：水的水質(zhì)（DI水或者自來水或循環(huán)水）、水洗的方式（高壓水洗或者熱水）、水量、時間（可以理解為后處理鏈速）及水洗后的干燥都需要嚴(yán)格的規(guī)范。

有某廠商提供PCB在回流焊后發(fā)黃，使用橡皮擦拭后，長時間放置空氣無發(fā)黃問題。后續(xù)查詢生產(chǎn)記錄，要求后處理SOP（標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序書）速度4～7 m/min，實際6.9 m/min，清洗速度太快，導(dǎo)致助焊劑清潔不盡風(fēng)險。后續(xù)修改MI（生產(chǎn)信息）指示，明確界定此款產(chǎn)品后處理速度為4 m/min，避免助焊劑殘留，后續(xù)不再發(fā)生此類發(fā)黃問題。

4 總結(jié)

無鉛焊錫的錫面回流焊后發(fā)黃因素還存在著其它方面幾個因素：錫槽換缸頻率過長，錫槽除Cu方法頻率不足，開缸焊錫雜質(zhì)多或所補充添加錫條純度低，助焊劑的抗氧化性差，在高溫分解殘留或者錫表層由于助焊劑活性弱而發(fā)生氧化反應(yīng)等等。從產(chǎn)生的原因及解決的方法考慮，我們既要從焊錫的組成純度入手，提供其抗氧化性，也要從熱風(fēng)整平焊錫制程的各個管控點去把握。希望通過此次案例及時分享給同行。如存在不足之處，請不吝賜教，