原创 PCB无铅合金的可焊性测试

PCB无铅合金的可焊性测试

    实现电子产品的无铅化是一个好想法，但切换到无铅工艺确对电子组装过程有很大的影响，特别是对高可靠性产品。在过去的几十年里，业界对锡铅焊点进行了广泛深入的研究，同时，安全性或生命依赖性产品的制造商对产品的可靠性有足够的保证和信心。

    而无铅替代品却不是这样，虽然业界标准组织，如IPC和IEC（国际电工委员会），都投入了大量人力，致力于研究它们所推荐的无铅合金的焊点特性，并推出了相关测试标准以确保它们的可靠性（参考工具条“电子产品的无铅切换”），但目前所做的工作还远远不够。

    另外，诸如航空系统等高可靠性产品期望的寿命高达25年，这就意味着在它们的运行寿命期间内很可能需要进行维修；使用锡铅焊料进行返修后，产品的可靠性已经得到证实，但无铅合金的返修可靠性等问题目前尚不清楚。

    如果消费者认识到无铅可靠性尚有许多争议，尤其是认识到他们的生命依赖于无铅电子产品（如在飞机上的乘客，装备安全气囊的汽车里的乘客）时，他们会对快速切换到无铅感到不安的。所以，对无铅焊点进行充分深入的研究，就
变得非常迫切和重要。

    幸运的是，高可靠性产品的制造商一直采取负责任的态度和方法以确保他们产品的完整性。可靠性取决于很多要素，包括好的设计、高质量的元器件和PCB，这些组件要能承受冲击、振动和热循环。但是，焊点一直被认为是薄弱环节，同时无铅焊料的引入并不能减少这一风险。

    为了降低产品失效率， 制造商会例行检测元器件和PCB焊盘的可焊性。没有好的可焊性（测量熔融焊料润湿元器件引脚和PCB焊盘的程度，用以表述表面镀层的坚固性），形成可靠焊点的可能性将会大大降低。那些可焊性差的待焊部位可能仍可以形成焊点，甚至通过最终的功能测试，但应力、热或振动会导致焊点失效的可能性较高，这对于要求高可靠性的应用是不可接受的。

    切换到无铅焊接后， 由于其工艺窗口较窄， 使得诸如“dip－and－look”（浸锡法）等传统可焊性测试的方法的效力降低。浸锡法是将待测元器件浸入熔融焊料中，观察焊料在引脚上的爬锡高度，以测量元器件的可焊性的一种方法。

    IPC和IEC对各种合金、助焊剂和元器件进行了大量试验，发现浸锡法缺乏测量上的可重复性与再现性（简称Gauge R&R），无法确保目前尚未研究透彻的无铅焊料具有与锡铅焊料一致的可靠性。

可焊性测试的重要性

    为了实现焊接，元器件供应商和PCB制造商会在元器件焊端和印制板焊盘上进行表面镀层处理，表面处理方式主要有以下几种：有机可焊性保护涂层（OSP）、化学锡、化学银、化学镍金和电镀或热风整平等。

    这些镀层的作用之一是在组装前保护焊端和焊盘，另一个作用是在回流焊或波峰焊时实现表面的润湿。PCB表面处理要满足诸如IPC-4552、IPC-4553和IPC-4554等标准，而元器件焊端镀层都没有标准。

虽然每种表面镀层都有自己特点，但业界普遍认为，焊料是焊膏焊接所用的最好的表面镀层。

    不幸的是，所有表面镀层都会发生某种程度的退化，同时，退化受存储条件和存储时间等因素的影响。如英国著名的国家物理实验室（NPL），对“可焊性老化”和退化机理进行了广泛的研究。

    NPL提供的图1表明，锡铅镀层由基板焊盘上的三层材料结构组成：外面一层是氧化层，在焊接前它必须被助焊剂化解，否则焊料润湿能力会弱化；第二层是可焊镀层，它保证了良好的润湿；最下面一层是基板上的铜和可焊镀层中的锡共同反应生成的金属间化合物（IMC）。如果可焊镀层太薄或具多孔性，锡就会全部被氧化，让氧气到达金属间化合物层，一旦金属间化合物层被氧化，焊料就无法润湿镀层。

    简而言之，导致可焊性退化的机理在于氧化层和金属间化合物层的厚度，其增长速度受到诸如湿度、温度和时间等存储因素的影响。图2表示了氧化层和金属间化合物层随着时间的增长对可焊性的影响，从图中可以看出，可焊性随着镀层老化而不断下降。阶段一和阶段二代表镀层可实现焊接，阶段三表示镀层无法实现焊接。注意：图中底部表明了在不同阶段焊缝几何形状的变化。

测量可焊性，而不是焊接能力

    有经验的制造工艺工程师非常清楚这一失效机理，并采取例行的措施，判断元器件和PCB在组装前的可焊性是否满足要求。然而，IPC和IEC进行大量的测试试验表明：切换到无铅焊料后，人们日常使用的测试方法可能无法保证焊点及产品的长期可靠性。更为糟糕的是，业界普遍不清楚到底是在测量什么特性。

    在这里，主要的问题在于人们通常不能明显区分可焊性（熔融焊料对镀层的润湿程度）和焊接能力（用于评价特定的助焊剂和焊料一起确保元器件焊接到PCB上的能力），它们并不是一回事。

    需要注意的是：那些可焊性“不可接受”（根据相关标准）的元器件，通常采用“合适”的助焊剂和焊料工艺调制仍然可以实现焊接。例如，对于可焊性较差的元器件，人们可以通过增加助焊剂喷涂量，从而提高组件的焊接能力。然而，此方法对无铅焊料可能无效，原因有二：一是无铅焊接的工艺窗口很窄，制造工艺的可变化范围很小（调制会增加焊点不良的可能性）；二是增加助焊剂会对单板清洁度造成有害影响（尤其是采用免清洗工艺）。

    说明了第二点原因（来源：NPL），它们表明，随着助焊剂喷涂量的提高，在标准测试试验板上测得的表面绝缘电阻（SIR）下降。由于助焊剂中挥发性组分挥发后，助焊剂残留物在单板上形成导电区域，所以相应的图中曲线产生了下降，这些导电区域会导致单板的中长期失效。

    为确保无铅焊接产品的焊点实现高可靠性，IPC和IEC的研究证明：最重要的因素在于“可接受的”可焊性，这样既可保持窄窗口的工艺控制，同时又可减少潜在的会导致失效的污染。

    在IPC J-STD-002C和J-STD-003B标准中有这样的论述：“可焊性评估的目的是验证元器件引脚或焊端的可焊性是否满足规定的要求，和判断存储对器件焊接到单板上的能力是否产生了不良影响。”

    同时，IPC J-STD-002和J-STD-003的主席DaveHillman说：“制订J-STD-002和J-STD-003可焊性测试标准的目的，是为了测试镀层可润湿能力的坚固性，很多人将这些标准用作或认为是模拟实际生产情况，但实际上并非如此；因为那是‘焊接能力’而不是‘可焊性’”。
“虽然IPC委员会曾经试图制定反映焊接能力方面的标准，但要制定模拟实际生产情况的测试方法事实上是不可能或不现实的，业界有太多的助焊剂/工艺条件组合，所以标准会变得没有意义；或者说，这样的标准会非常庞大并且包含了太多的变量”。

    “标准中的测试参数在表征镀层可焊性方面需要有一定的安全裕度，一种可能导致假阳性或假阴性结果的测试方法对业界是没有价值的。”。

    换句话说，用组装业者常规的元器件/助焊剂/焊料组合测试元器件，进行表面镀层的可焊性评估不符合任何标准，而且在无铅焊接工艺中，可能也无法保证这种结果的重复性和再现性。

    如果你的工艺、助焊剂和焊料控制稳定，焊接能力测试确实可用来进行镀层质量检验，但这一方法不够科学且不可控，因此不足以作为可焊性测试的标杆标准。

选择正确的测试方法
那么，对于无铅组装工艺，如何确保你是在测量可焊性而不是焊接能力呢？

为了回答这一问题，IPC委员会认为应采取“循环法(round-robin)”试验程序研究无铅合金和助焊剂的特性。循环法测试主要考察：
1. 合金；
2. 表面镀层；
3. 温度；
4. 助焊剂；
5. 测量方法的可重复性与再现性（Gauge R&R）。

    这些需尽快发布的标准也正式地澄清了可焊性和焊接能力之间区别，它们定义了可焊性测试的过程：指定了测试仪器、如何进行测试以及所用的材料等，以确保良好的GaugeR&R。

    例如，对于精确可焊性测试，标准推荐测试用的助焊剂需小心保存，在测试过程中要避免受污染（参见IPC J-STD-002C 3.2.2.1和3.5.2部分），要求包括了助焊剂不用时要盖上、八小时后要报废，保持助焊剂的比重在0.845±0.005(25±2℃)、使用一星期后要报废等。

    此外，每隔30个工作日，可焊性测试所用的锡炉中的焊料也要进行化学或光谱分析，或直接更换，以符合标准中规定的污染限度，这包括保持无铅焊料成分、控制杂质含量、调整合金所要求的银和铜元素的比例等。

很容易看出，这不是一套日常生产中使用的助焊剂和焊料的检测体系。

    但检测方法本身有什么问题呢？是否可以把应用了十多年的浸锡法作为可接受的解决方案写入J-STD-002和003标准中呢？

    使用浸锡法，技术人员将元器件样品浸入熔融焊料炉并观察焊料在镀层上的爬锡情况，根据经验，能定性评估镀层的焊料润湿情况，从而得出可焊性结论，这种方法具有快捷、方便和便宜等特点。

    然而，浸锡法存在的主要问题是：作为一种测试方法，它的Gauge R&R差。换句话说，即使测试所用材料按照新标准的要求严格受控，两个人在不同时间进行同一测试可能会得出不同的结论。如果一个人说元器件或单板可焊性很好，而另一个人说可焊性差，测试结果取决于时间和地点，那无铅组装质量控制的基础何在？！

    IPC称：“相信浸锡法具有相当好的Gauge R&R的用户将感到极度震惊。”为了支持这一定论，IPC称：“IPC委员会也一致认为，如果Gauge R&R没有经过证实或得到行业认可，将不把任**的可焊性测试方法引入标准。”

    虽然IPC的这一建议未包括在IEC标准中，但IEC委员会同意着手在两年内对标准进行修订，而不是常规的五年，到时候，具有可接受的Gauge R&R的可焊性测试方法将写入标准，这可以理解为敲响了浸锡法的“丧钟”。

推荐的润湿力测量方法

    那么推荐的方法是什么呢？根据IEC意见:“我们(IEC)推荐润湿平衡力测量和焊料球测试，而我们正尝试调整标准文件，保证其所规定的方法具有可接受的Gauge R&R。”

    使用润湿平衡力的可焊性测量方法具有极高的精度（最小单位可达毫牛顿），一些电子仪器甚至可以测量精度超过1um/Bit。虽然通孔插件（PTH）和表面贴装（SM）元器件的润湿平衡类型不同，但两者的物理原理相同。

    换句话说，如果金属本体浸入熔融焊料，在本体已沉浸表面上的爬锡的重量和速度说明了焊料润湿镀层的程度及可焊性的好坏，可焊性越好，爬锡越高，这可以通过测量作用在悬挂样本的垂直力的变化进行评价。

    对于特定的通孔插装元件和电路板样件，可将测试样件浸入熔融焊料槽中，测量得到样件的浮力和作用在镀层上的表面张力。对于较小的表贴元器件，需要的测量精度更高，微润湿平衡过程使用的是焊料球，在该方法中，焊料槽被焊料球代替，焊料球的大小有4、3 . 2、2和1mm，相应的焊料球的质量有200、100、25和5毫克，这样就可以对多引脚元器件的单个引脚进行测试。

变革时代的到来

    无铅组装不同于应用了几十年的，已经非常成熟的锡铅焊料组装工艺。在经过3万次单独测试的广泛研究后，IPC和IEC都确定：传统的测试方法和工艺调整措施不足以确定无铅焊点的可靠性。

    今年年底前，IPC和IEC都会推出新的可焊性测试方法，并澄清可焊性和焊接能力的区别。这似乎意味着如果制造业者要保证产品的高可靠性，那就必须进行这样的可焊性测试。

    此外，这些标准认定，可焊性测试应该用润湿平衡法，而不是浸锡法。润湿平衡法能定量测量表面镀层的坚固性，同时具有可接受的Gauge R&R，而浸锡法会受到主观因素或人为判断的影响。