主流無鉛焊接實踐
主流無鉛焊接實踐
福英達——研發中心——俞建文
摘要
鉛不僅對水污染，而且對土壤、空氣均可產生污染。電子制造業中大量使用的錫鉛合金焊料( Sn/Pb)是污染人類生存環境的重要根源之一。因此，無鉛焊接技術的應用是必然趨勢。實現電子制造的全面無鉛化，以減少環境污染，以適應國內外市場對綠色電子產品的需求，是電子制造業勢在必行的舉措。本文將從無鉛合金和PCB板表面處理兩方面介紹。
一．主流無鉛合金
目前世界上無鉛焊料主要有：SnCu（摻雜Ni，Co，Ce）、SnAg (+Cu，+Bi，+Sb，+摻雜，例如Mn，Ti，Al，Ni，Zn，Co，Pt，P，Ce)、SnZn (+Bi)。目前最流行的無鉛合金是SnAgCu，其中Ag為1%-5%；而SnBi (+Ag) (熔點為140℃) 也越來越普遍。
在Sn-0.7Cu中加入Ni可以減輕銅腐蝕和不銹鋼腐蝕，304型不銹鋼腐蝕速率SAC305 > Sn-0.7Cu > Sn-0.7Cu-0.05Ni；銅腐蝕速率SAC305 > Sn63 > Sn-0.7Cu-0.05Ni[1]。在SAC中加入（Mn,Ti,Ce,Bi），在跌落測試中，耐沖擊性SAC105+0.05Mn/Ce≈SnPb >105 >305；在熱循環后耐沖擊性SAC105+Ce > SAC105+Mn > 305 >105 >SnPb[2]。
如下圖，隨著熱循環次數的增加，無鉛合金裂紋比SnPb36Ag2更長，SnAg3.5，SnAg3.8Cu0.7 和SnAg2.6Cu0.8Sb0.5沒有明顯的差別，SnZn9的裂紋最長[3]。
89Sn-8Zn3Bi焊點強度損失分析，是由于IMC層的生長和空洞的形成[4]，如下圖。
二．主流無鉛PCB表面處理
主要分為OSP、鍍Ni/Au（ENIG）、鍍Ag、鍍Bi、鍍Pd、鍍Ni/Pd、鍍Ni/Pd/Au (ENEPIG)、鍍Ni/Pd(X)、鍍Sn（SnAg、SnBi、SnCu、SnNi）。
1.OSP
OSP就是在潔凈的裸銅表面上，以化學的方法長出一層有機薄膜。因為是有機物不是金屬，所以比噴錫工藝還要便宜。
這層有機物薄膜的唯一作用是，在焊接之前保證內層銅箔不會被氧化。焊接的時候一加熱，這層膜就揮發掉了。焊錫就能夠把銅線和元器件焊接在一起。但是這層有機膜很不耐腐蝕，一塊OSP的電路板，暴露在空氣中十來天，就不能焊接元器件了。
1.1 OSP的優缺點
優點：具有裸銅板焊接的所有優點，過期的板子也可以重新做一次表面處理。
缺點：OSP透明無色，所以檢查起來比較困難，很難辨別是否經過OSP處理。OSP本身是絕緣的，不導電，會影響電氣測試。所以測試點必須開鋼網加印錫膏以去除原來的OSP層才能接觸針點作電性測試。OSP更無法用來作為處理電氣接觸表面，比如按鍵的鍵盤表面。OSP容易受到酸及溫度影響。使用于二次回流焊時，需在一定時間內完成，通常第二次回流焊的效果會比較差。存放時間如果超過三個月就必須重新表面處理。打開包裝后需在24小時內用完。
1.2 OSP的機理
OSP工藝，在銅表面加苯并咪唑的涂層，可以降低板子表面的氧化，如下圖[5]。
下圖分別為主流的OSP工藝表面涂層有機物分子和新型OSP工藝表面涂層有機物分子的TG-DTA曲線，新型的化合物分解溫度比原始的高100℃[6]。
2.鍍Ni/沉Au（ENIG）
ENIG是通過化學方法在銅面上包裹一層厚厚的，電性能良好的鎳金合金并可以長期保護PCB。內層鎳的沉積厚度一般為3-6μm，外層的金的沉積厚度一般為0.05-0.1μm。不像OSP那樣僅作為防銹阻隔層，其能夠在PCB長期使用過程中有用并實現良好的電性能。另外它也具有其它表面處理工藝所不具備的對環境的忍耐性。
2.1化學反應機理
（1）鍍Ni過程
3NaH2PO2+3H2O+NiSO4→3NaH2PO3+H2SO4+H2+Ni0或
Ni+++H2PO2-+H2O→Ni0+H2PO3-+2H+
2R2NH·BH3+3Ni+++2H2O→NiB+2Ni+2R2NH+HBO2+6H++3/2H2
（2）P和Ni一樣也會發生共沉積，化學反應如下
2H2PO2-+Hads→H2PO3-+H2O+OH-+P
3H2PO2-→H2PO3-+H2O+2OH-+2P
（3）沉Au過程
Ni0+2Au+→Ni+++2AuO
Ni+2Au(CN)2-→Ni+++2Au+4CN-
2.2 ENIG的優缺點
優點：ENIG處理過的PCB表面非常平整，共面性很好，適合用于按鍵接觸面。ENIG可焊性極佳，金會迅速融入融化的焊錫里面，焊錫與Ni形成Ni/Sn金屬化合物。
缺點：工藝流程復雜，而且想要達到很好的效果需要嚴格控制工藝參數。最麻煩的是，EING處理過的PCB表面在ENIG或焊接過程中很容易產生黑盤效益。黑盤的直接表現為Ni過度氧化，金過多，會使焊點脆化，影響可靠性。
3.化學鍍鎳鈀浸金工藝（ENEPIG）
ENEPIG在鎳和金之間多了一層鈀，在置換金的沉積反應中，化學鍍鈀層會保護鎳層防止它被交置換金過度腐蝕，鈀在防止出現置換反應導致的腐蝕現象的同時，為浸金作好充分準備。鎳的沉積厚度一般為3-6μm，鈀的厚度為0.1-0.5μm。金的沉積厚度一般為0.02-0.1μm。
3.1電鍍鈀的化學機理
Pd2++NaH2PO2+H2O→PdO+NaH2PO3+2H+
3NaH2PO2→2P+NaH2PO3+2NaOH+H2
3.2 ENEPIG的優缺點
優點：防止“黑鎳問題”的發生-沒有置換金攻擊鎳的表面做成晶粒邊界腐蝕現象。化學鍍鈀會作為阻擋層，不會有銅遷移至金層的問題出現而引起焊錫性焊錫差。化學鍍鈀層會完全溶解在焊料之中，在合金界面上不會有高磷層的出現。同時當化學鍍鈀溶解后會露出一層新的化學鍍鎳層用來生成良好的鎳錫合金。能抵擋多次無鉛再流焊循環。有優良的打金線（邦定）結合性。非常適合SSOP、TSOP、QFP、TQFP、PBGA等封裝元件。
缺點：沒有廣泛應用，鈀的價格昂貴，是一種短缺資源。同時與化鎳金一樣，其工藝控制要求嚴格。
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參考文獻
[1]. Keith Sweatman, Shoichi Suenaga, Masaaki Yoshimura and Tetsuro Nishimura (Nihon Superior), Masahiko Ikeda (Kansai University), “Erosion 5 of Copper and Stainless Steels by Lead-Free-Solders”, Apex, S27-4, Anaheim, CA, Feb, 2004.
[2]. Liu etc, SMTAI, p.920-934, October 4-8, 2009, San Diego, CA.
[3]. Günter Grossmann, Giovanni Nicoletti, Ursin Solèr , “Results of Comparative Reliability Tests on Lead-free Solder Alloys”, 52nd ECTC, S30-P1, San Diego, CA, May 28-31, 2002.
[4]. Hirokazu Tanaka, Yuuichi Aoki, Makoto Kitagawa and Yoshiki Saito (ESPEC CORP.), “Reliability Testing and Failure Analysis of Lead-Free 8 Solder Joints under Thermo-Mechanical Stress”, Apex, S28-1, Anaheim, CA, Feb, 2004.
[5]. Joseph D. DeBiase, “Organic Solderability Preservatives: Benzotriazoles and Substituted Benzimidazoles”, SMI 96, San Jose, CA, September 10-12, 1996.
[6]. Koji Saeki, (Shikoku Chemicals Corporation) and Michael Carano,
(Electrochemicals, Inc.), “Next Generation Organic Solderability Preservatives (OSP) for Lead-free soldering and Mixed Metal Finish PWB’s and BGA Substrates”, Apex, S10-2, Anaheim, CA, Feb, 2004.
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