摘要：基于環(huán)境考慮，禁止焊料含鉛是值得稱(chēng)贊的，然而無(wú)鉛切換卻帶來(lái)了產(chǎn)品可靠性上的隱患。業(yè)界廣泛成熟應(yīng)用的、適于錫鉛焊點(diǎn)的定性評(píng)估方法已經(jīng)不再有效，需要有新的測(cè)試方法評(píng)估鍍層的可焊性。

實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的無(wú)鉛化是一個(gè)好想法，但切換到無(wú)鉛工藝確對(duì)電子組裝過(guò)程有很大的影響，特別是對(duì)高可靠性產(chǎn)品。在過(guò)去的幾十年里，業(yè)界對(duì)錫鉛焊點(diǎn)進(jìn)行了廣泛深入的研究，同時(shí)，安全性或生命依賴(lài)性產(chǎn)品的制造商對(duì)產(chǎn)品的可靠性有足夠的保證和信心。

而無(wú)鉛替代品卻不是這樣，雖然業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)組織，如IPC和IEC（國(guó)際電工委員會(huì)），都投入了大量人力，致力于研究它們所推薦的無(wú)鉛合金的焊點(diǎn)特性，并推出了相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)以確保它們的可靠性（參考工具條“電子產(chǎn)品的無(wú)鉛切換”），但目前所做的工作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

另外，諸如航空系統(tǒng)等高可靠性產(chǎn)品期望的壽命高達(dá)25年，這就意味著在它們的運(yùn)行壽命期間內(nèi)很可能需要進(jìn)行維修；使用錫鉛焊料進(jìn)行返修后，產(chǎn)品的可靠性已經(jīng)得到證實(shí)，但無(wú)鉛合金的返修可靠性等問(wèn)題目前尚不清楚。
如果消費(fèi)者認(rèn)識(shí)到無(wú)鉛可靠性尚有許多爭(zhēng)議，尤其是認(rèn)識(shí)到他們的生命依賴(lài)于無(wú)鉛電子產(chǎn)品（如在飛機(jī)上的乘客，裝備安全氣囊的汽車(chē)?yán)锏某丝停r(shí)，他們會(huì)對(duì)快速切換到無(wú)鉛感到不安的。所以，對(duì)無(wú)鉛焊點(diǎn)進(jìn)行充分深入的研究，就
變得非常迫切和重要。

幸運(yùn)的是，高可靠性產(chǎn)品的制造商一直采取負(fù)責(zé)任的態(tài)度和方法以確保他們產(chǎn)品的完整性?？煽啃匀Q于很多要素，包括好的設(shè)計(jì)、高質(zhì)量的元器件和PCB，這些組件要能承受沖擊、振動(dòng)和熱循環(huán)。但是，焊點(diǎn)一直被認(rèn)為是薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)無(wú)鉛焊料的引入并不能減少這一風(fēng)險(xiǎn)。

為了降低產(chǎn)品失效率， 制造商會(huì)例行檢測(cè)元器件和PCB焊盤(pán)的可焊性。沒(méi)有好的可焊性（測(cè)量熔融焊料潤(rùn)濕元器件引腳和PCB焊盤(pán)的程度，用以表述表面鍍層的堅(jiān)固性），形成可靠焊點(diǎn)的可能性將會(huì)大大降低。那些可焊性差的待焊部位可能仍可以形成焊點(diǎn)，甚至通過(guò)最終的功能測(cè)試，但應(yīng)力、熱或振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)失效的可能性較高，這對(duì)于要求高可靠性的應(yīng)用是不可接受的。

切換到無(wú)鉛焊接后， 由于其工藝窗口較窄， 使得諸如“dip－and－look”（浸錫法）等傳統(tǒng)可焊性測(cè)試的方法的效力降低。浸錫法是將待測(cè)元器件浸入熔融焊料中，觀察焊料在引腳上的爬錫高度，以測(cè)量元器件的可焊性的一種方法。

IPC和IEC對(duì)各種合金、助焊劑和元器件進(jìn)行了大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)浸錫法缺乏測(cè)量上的可重復(fù)性與再現(xiàn)性（簡(jiǎn)稱(chēng)Gauge R&R），無(wú)法確保目前尚未研究透徹的無(wú)鉛焊料具有與錫鉛焊料一致的可靠性。


可焊性測(cè)試的重要性
為了實(shí)現(xiàn)焊接，元器件供應(yīng)商和PCB制造商會(huì)在元器件焊端和印制板焊盤(pán)上進(jìn)行表面鍍層處理，表面處理方式主要有以下幾種：有機(jī)可焊性保護(hù)涂層（OSP）、化學(xué)錫、化學(xué)銀、化學(xué)鎳金和電鍍或熱風(fēng)整平等。

這些鍍層的作用之一是在組裝前保護(hù)焊端和焊盤(pán)，另一個(gè)作用是在回流焊或波峰焊時(shí)實(shí)現(xiàn)表面的潤(rùn)濕。PCB表面處理要滿(mǎn)足諸如IPC-4552、IPC-4553和IPC-4554等標(biāo)準(zhǔn)，而元器件焊端鍍層都沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)。雖然每種表面鍍層都有自己特點(diǎn)，但業(yè)界普遍認(rèn)為，焊料是焊膏焊接所用的最好的表面鍍層。

不幸的是，所有表面鍍層都會(huì)發(fā)生某種程度的退化，同時(shí)，退化受存儲(chǔ)條件和存儲(chǔ)時(shí)間等因素的影響。如英國(guó)著名的國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL），對(duì)“可焊性老化”和退化機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究。

簡(jiǎn)而言之，導(dǎo)致可焊性退化的機(jī)理在于氧化層和金屬間化合物層的厚度，其增長(zhǎng)速度受到諸如濕度、溫度和時(shí)間等存儲(chǔ)因素的影響。圖2表示了氧化層和金屬間化合物層隨著時(shí)間的增長(zhǎng)對(duì)可焊性的影響，從圖中可以看出，可焊性隨著鍍層老化而不斷下降。階段一和階段二代表鍍層可實(shí)現(xiàn)焊接，階段三表示鍍層無(wú)法實(shí)現(xiàn)焊接。注意：圖中底部表明了在不同階段焊縫幾何形狀的變化。


測(cè)量可焊性，而不是焊接能力
有經(jīng)驗(yàn)的制造工藝工程師非常清楚這一失效機(jī)理，并采取例行的措施，判斷元器件和PCB在組裝前的可焊性是否滿(mǎn)足要求。然而，IPC和IEC進(jìn)行大量的測(cè)試試驗(yàn)表明：切換到無(wú)鉛焊料后，人們?nèi)粘Ｊ褂玫臏y(cè)試方法可能無(wú)法保證焊點(diǎn)及產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性。更為糟糕的是，業(yè)界普遍不清楚到底是在測(cè)量什么特性。

在這里，主要的問(wèn)題在于人們通常不能明顯區(qū)分可焊性（熔融焊料對(duì)鍍層的潤(rùn)濕程度）和焊接能力（用于評(píng)價(jià)特定的助焊劑和焊料一起確保元器件焊接到PCB上的能力），它們并不是一回事。

需要注意的是：那些可焊性“不可接受”（根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）的元器件，通常采用“合適”的助焊劑和焊料工藝調(diào)制仍然可以實(shí)現(xiàn)焊接。例如，對(duì)于可焊性較差的元器件，人們可以通過(guò)增加助焊劑噴涂量，從而提高組件的焊接能力。然而，此方法對(duì)無(wú)鉛焊料可能無(wú)效，原因有二：一是無(wú)鉛焊接的工藝窗口很窄，制造工藝的可變化范圍很小（調(diào)制會(huì)增加焊點(diǎn)不良的可能性）；二是增加助焊劑會(huì)對(duì)單板清潔度造成有害影響（尤其是采用免清洗工藝）。

圖3（a）和（b）說(shuō)明了第二點(diǎn)原因（來(lái)源：NPL），它們表明，隨著助焊劑噴涂量的提高，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試試驗(yàn)板上測(cè)得的表面絕緣電阻（SIR）下降。由于助焊劑中揮發(fā)性組分揮發(fā)后，助焊劑殘留物在單板上形成導(dǎo)電區(qū)域，所以相應(yīng)的圖中曲線產(chǎn)生了下降，這些導(dǎo)電區(qū)域會(huì)導(dǎo)致單板的中長(zhǎng)期失效。

為確保無(wú)鉛焊接產(chǎn)品的焊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高可靠性，IPC和IEC的研究證明：最重要的因素在于“可接受的”可焊性，這樣既可保持窄窗口的工藝控制，同時(shí)又可減少潛在的會(huì)導(dǎo)致失效的污染。

在IPC J-STD-002C和J-STD-003B標(biāo)準(zhǔn)中有這樣的論述：“可焊性評(píng)估的目的是驗(yàn)證元器件引腳或焊端的可焊性是否滿(mǎn)足規(guī)定的要求，和判斷存儲(chǔ)對(duì)器件焊接到單板上的能力是否產(chǎn)生了不良影響。”

同時(shí)，IPC J-STD-002和J-STD-003的主席DaveHillman說(shuō)：“制訂J-STD-002和J-STD-003可焊性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的目的，是為了測(cè)試鍍層可潤(rùn)濕能力的堅(jiān)固性，很多人將這些標(biāo)準(zhǔn)用作或認(rèn)為是模擬實(shí)際生產(chǎn)情況，但實(shí)際上并非如此；因?yàn)槟鞘?#8216;焊接能力’而不是‘可焊性’”。



“雖然IPC委員會(huì)曾經(jīng)試圖制定反映焊接能力方面的標(biāo)準(zhǔn)，但要制定模擬實(shí)際生產(chǎn)情況的測(cè)試方法事實(shí)上是不可能或不現(xiàn)實(shí)的，業(yè)界有太多的助焊劑/工藝條件組合，所以標(biāo)準(zhǔn)會(huì)變得沒(méi)有意義；或者說(shuō)，這樣的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)非常龐大并且包含了太多的變量”。

“標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試參數(shù)在表征鍍層可焊性方面需要有一定的安全裕度，一種可能導(dǎo)致假陽(yáng)性或假陰性結(jié)果的測(cè)試方法對(duì)業(yè)界是沒(méi)有價(jià)值的。”。

換句話(huà)說(shuō)，用組裝業(yè)者常規(guī)的元器件/助焊劑/焊料組合測(cè)試元器件，進(jìn)行表面鍍層的可焊性評(píng)估不符合任何標(biāo)準(zhǔn)，而且在無(wú)鉛焊接工藝中，可能也無(wú)法保證這種結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性。

如果你的工藝、助焊劑和焊料控制穩(wěn)定，焊接能力測(cè)試確實(shí)可用來(lái)進(jìn)行鍍層質(zhì)量檢驗(yàn)，但這一方法不夠科學(xué)且不可控，因此不足以作為可焊性測(cè)試的標(biāo)桿標(biāo)準(zhǔn)。


選擇正確的測(cè)試方法
那么，對(duì)于無(wú)鉛組裝工藝，如何確保你是在測(cè)量可焊性而不是焊接能力呢？

為了回答這一問(wèn)題，IPC委員會(huì)認(rèn)為應(yīng)采取“循環(huán)法(round-robin)”試驗(yàn)程序研究無(wú)鉛合金和助焊劑的特性。循環(huán)法測(cè)試主要考察：
1. 合金；
2. 表面鍍層；
3. 溫度；
4. 助焊劑；
5. 測(cè)量方法的可重復(fù)性與再現(xiàn)性（Gauge R&R）。


這些需盡快發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)也正式地澄清了可焊性和焊接能力之間區(qū)別，它們定義了可焊性測(cè)試的過(guò)程：指定了測(cè)試儀器、如何進(jìn)行測(cè)試以及所用的材料等，以確保良好的GaugeR&R。

例如，對(duì)于精確可焊性測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)推薦測(cè)試用的助焊劑需小心保存，在測(cè)試過(guò)程中要避免受污染（參見(jiàn)IPC J-STD-002C 3.2.2.1和3.5.2部分），要求包括了助焊劑不用時(shí)要蓋上、八小時(shí)后要報(bào)廢，保持助焊劑的比重在0.845±0.005(25±2℃)、使用一星期后要報(bào)廢等。

此外，每隔30個(gè)工作日，可焊性測(cè)試所用的錫爐中的焊料也要進(jìn)行化學(xué)或光譜分析，或直接更換，以符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的污染限度，這包括保持無(wú)鉛焊料成分、控制雜質(zhì)含量、調(diào)整合金所要求的銀和銅元素的比例等。

很容易看出，這不是一套日常生產(chǎn)中使用的助焊劑和焊料的檢測(cè)體系。

但檢測(cè)方法本身有什么問(wèn)題呢？是否可以把應(yīng)用了十多年的浸錫法作為可接受的解決方案寫(xiě)入J-STD-002和003標(biāo)準(zhǔn)中呢？

使用浸錫法，技術(shù)人員將元器件樣品浸入熔融焊料爐并觀察焊料在鍍層上的爬錫情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，能定性評(píng)估鍍層的焊料潤(rùn)濕情況，從而得出可焊性結(jié)論，這種方法具有快捷、方便和便宜等特點(diǎn)。

然而，浸錫法存在的主要問(wèn)題是：作為一種測(cè)試方法，它的Gauge R&R差。換句話(huà)說(shuō)，即使測(cè)試所用材料按照新標(biāo)準(zhǔn)的要求嚴(yán)格受控，兩個(gè)人在不同時(shí)間進(jìn)行同一測(cè)試可能會(huì)得出不同的結(jié)論。如果一個(gè)人說(shuō)元器件或單板可焊性很好，而另一個(gè)人說(shuō)可焊性差，測(cè)試結(jié)果取決于時(shí)間和地點(diǎn)，那無(wú)鉛組裝質(zhì)量控制的基礎(chǔ)何在？！

IPC稱(chēng)：“相信浸錫法具有相當(dāng)好的Gauge R&R的用戶(hù)將感到極度震驚。”為了支持這一定論，IPC稱(chēng)：“IPC委員會(huì)也一致認(rèn)為，如果Gauge R&R沒(méi)有經(jīng)過(guò)證實(shí)或得到行業(yè)認(rèn)可，將不把任何新的可焊性測(cè)試方法引入標(biāo)準(zhǔn)。”

雖然IPC的這一建議未包括在IEC標(biāo)準(zhǔn)中，但I(xiàn)EC委員會(huì)同意著手在兩年內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，而不是常規(guī)的五年，到時(shí)候，具有可接受的Gauge R&R的可焊性測(cè)試方法將寫(xiě)入標(biāo)準(zhǔn)，這可以理解為敲響了浸錫法的“喪鐘”。


推薦的潤(rùn)濕力測(cè)量方法
那么推薦的方法是什么呢？根據(jù)IEC意見(jiàn):“我們(IEC)推薦潤(rùn)濕平衡力測(cè)量和焊料球測(cè)試，而我們正嘗試調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)文件，保證其所規(guī)定的方法具有可接受的Gauge R&R。”

使用潤(rùn)濕平衡力的可焊性測(cè)量方法具有極高的精度（最小單位可達(dá)毫牛頓），一些電子儀器甚至可以測(cè)量精度超過(guò)1um/Bit。雖然通孔插件（PTH）和表面貼裝（SM）元器件的潤(rùn)濕平衡類(lèi)型不同，但兩者的物理原理相同。

換句話(huà)說(shuō)，如果金屬本體浸入熔融焊料，在本體已沉浸表面上的爬錫的重量和速度說(shuō)明了焊料潤(rùn)濕鍍層的程度及可焊性的好壞，可焊性越好，爬錫越高，這可以通過(guò)測(cè)量作用在懸掛樣本的垂直力的變化進(jìn)行評(píng)價(jià)（圖4圖示了整個(gè)測(cè)試過(guò)程）。

對(duì)于特定的通孔插裝元件和電路板樣件，可將測(cè)試樣件浸入熔融焊料槽中，測(cè)量得到樣件的浮力和作用在鍍層上的表面張力。對(duì)于較小的表貼元器件，需要的測(cè)量精度更高，微潤(rùn)濕平衡過(guò)程（ 如圖5）使用的是焊料球，在該方法中，焊料槽被焊料球代替，焊料球的大小有4、3 . 2、2和1mm，相應(yīng)的焊料球的質(zhì)量有200、100、25和5毫克，這樣就可以對(duì)多引腳元器件的單個(gè)引腳進(jìn)行測(cè)試。


變革時(shí)代的到來(lái)
無(wú)鉛組裝不同于應(yīng)用了幾十年的，已經(jīng)非常成熟的錫鉛焊料組裝工藝。在經(jīng)過(guò)3萬(wàn)次單獨(dú)測(cè)試的廣泛研究后，IPC和IEC都確定：傳統(tǒng)的測(cè)試方法和工藝調(diào)整措施不足以確定無(wú)鉛焊點(diǎn)的可靠性。

今年年底前，IPC和IEC都會(huì)推出新的可焊性測(cè)試方法，并澄清可焊性和焊接能力的區(qū)別。這似乎意味著如果制造業(yè)者要保證產(chǎn)品的高可靠性，那就必須進(jìn)行這樣的可焊性測(cè)試。

此外，這些標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定，可焊性測(cè)試應(yīng)該用潤(rùn)濕平衡法，而不是浸錫法。潤(rùn)濕平衡法能定量測(cè)量表面鍍層的堅(jiān)固性，同時(shí)具有可接受的Gauge R&R，而浸錫法會(huì)受到主觀因素或人為判斷的影響。


作者簡(jiǎn)介:
Graham Naisbit是 Gen3 Systems有限公司（ 前身是Concoat Systems）的常務(wù)董事，IEC TC91 WG3（組裝業(yè)界測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)工作組）成員，他也是IEC60068-2-69可焊性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的主席，IEC 60068-2-54可焊性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)席主席，IPC-J-STD 002和IPC-J-STD 003標(biāo)準(zhǔn)組成員。