Material and Techniques for Lead-Free Electronic Assembly
J．Reachen
伴随欧洲电子电气设备指导法令(WEEE Directive)宣布到2006年部分含铅电子设备的生产和进口在欧盟将属非法，以及国外同业竞争者在全球不断推广无铅电子装配，相伴而生的对各种合金混合物的完好性和可靠性等问题的考虑越来越受到重视。简言之，到底选用哪种合金，这一问题变得越来越紧要。本文将对Sn/Ag、Sn/Ag/Cu和Sn/Cu等三种合金做深入考察，并对其可靠性试验结果与工艺上的考虑进行比较。
Sn/Ag合金
Sn/Ag3.5-4.0合金在混合电路与电子组装工业的使用时间较长。正因如此，部分业者对使用Sn/Ag作为一种无铅替代合金感觉得心应手。但不巧的是这种合金存在几方面的问题。首先这种合金的熔融温度(221度)和峰值回流温度(2400-260度)对于许多表面安装部件和过程来说显得偏高。此外，这种合金还含有3.5-4%的银，对某些应用构成成本制约。而最主要的问题是这种合金会产生银相变问题从而造成可靠性试验失效。
我们注意到，在进行疲劳试验(结果如表1)时，Sn96/Ag4在其中一种循环设置上产生了失效。对此问题作进一步研究得出的结论是：失效起因于相变。相变的产生是因合金的不同区有着不同的冷却速率而致。
为对此问题进行深入研究，用一根Sn96/Ag4焊条，从底部对其进行回流加热及强制冷却，以便对其暴露在不同冷却速率下的合金的微结构进行观察。Sn96/Ag4合金按冷却速率的不同产生三种不同的相。由此考虑同样的脆性结构会存在于焊接互连中，从而造成焊区失效。正是由于这种原因，大多数OEM及工业财团反对把Sn/Ag作为主流无铅合金来用。银相变问题的存在也对高银Sn/Ag/Cu合金提出了质问。
Sn/Ag/Cu合金
尽管涉及专利保护方面的问题，世界大部分地区还是倾向选用Sn/Ag/Cu合金。但到底选择什么样的合金配方？本文将重点讨论两种Sn/Ag/Cu合金：受各种工业财团推崇的Sn/Ag/Cu0.5合金和相应的用作低银含量合金的Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5。
两种Sn/Ag/Cu合金的比较
在讨论两种合金体系的可靠性试验结果之前，先凭经验对两种合金作一比较是有益的。大体上看两种合金很相似：两者都具有极好的抗疲劳特性、良好的整体焊点连接强度以及充足的基础材料供应。但两者之间确也存在一些细微的差异值得讨论。
熔点
两合金的熔点极为相似：Sn/Ag4/Cu0.5熔点为218度，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5熔点为217度。业界对这种差异是否构成对实际应用的影响存在争议。但如能对回流过程严格控制，熔点温度变低会因减少元件耐受高温的时间而带来益处。
润湿
两种合金比较，自然地会对选择高银含量合金的做法抱有疑问，因为银含量变高会增加产品成本。有臆测认为高银合金有助于改进润湿。但润湿试验结果显示，低银含量合金实际上比高银合金润湿更强健和更迅速。
专利态势
工业界渴望找到一种广泛可获的合金。因此，专利合金是不大受欢迎的。尽管Sn/Ag4/Cu0.5合金没有申请专利，而Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5已申请了专利，但选择时需要全面了解两种合金的专利约束作用和实际供应源情况才好确定。
上面已谈到，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金已获专利。但它已授权给焊料制造商使用，对授权使用者无数量限制和无转让费用。目前，这一合金可通过北美、日本和欧洲的数家焊料厂商在全球范围内获取。尽管Sn/Ag4/Cu0.5合金没有申请专利，但用这种合金制成的焊点连接是有专利的，而在美国具有这种产品销售授权的电子级焊料厂商的数量极为有限。
尽管用Sn/Ag4/Cu0.5制作的焊点有可能侵犯现有的专利权，但业界还是建议使用这种合金。人们曾假想地认为，通过给这种系统施加预先工艺可以避开专利纠纷。但这种想法是错误的，因为大多数的专利说明都会涉及合金成份和应用范围(焊点)两部分内容。换句话说，如果预先工艺能够得到证实，突破专利的合金成份限制是可能的。但如果专利说明做得很完善，那么还需向声明了电子装配焊接特定用法的应用部分进行挑战。总的来说，这意味着即使制造商正在使用一种专利规定范围(如Sn/Ag4/Cu0.5)以外的合金，但如果在制造过程中，此合金"偶获"基础金属成分(一般为铜)并因而形成一种含有专利规定范围内的成份构成的金属间化合物的话，那么该制造商就会因侵犯了专利权而受到法律的裁决。
金属成本
专利载明的银含量范围为3.5%-7.7%。如此高的银含量使得焊料的大量使用变得成本高昂；装填波峰焊锅时，每1%的银大约使成本增加0.66美元/磅(见表2)。为控制成本，有人建议在波峰焊应用中使用不含银的无铅合金，在表面安装应用中使用含银合金。但正如下面所要讨论的，使用这种方法会因Sn/Cu和双合金工艺存在不足而造成失效。
Sn/Cu的工艺缺陷
遏制成本的想法虽说合情合理，但引用Sn/Cu需要考虑几方面的因素。第一，此合金的熔融温度为227度，使其在许多温度敏感应用上受限。此外，它比其它无铅焊料的湿润性差，在许多应用中需引入氮和强活性助焊剂并可造成与润湿相关的缺陷，这点已得到广泛证明。还有，一般来讲Sn/Cu表面张力作用较低，在实施PTH技术时容易进入套孔(barrel)中，且缺乏表面安装装配过程所要求的耐疲劳强度。最后一点，该合金的耐疲劳特性差，可导致焊区失效，从而抵销了节省成本的初衷。
双合金装配
还应注意的是，除Sn/Cu引起相关问题外，使用双焊料合金(SMT过程使用Sn/Ag/Cu，波峰焊使用Sn/Cu)也存在问题。Sn/Ag/Cu、Sn/Cu混用不宜提倡，因为这会造成合金焊点连接的不均匀性。如果这一情形出现，那么制成的焊点会因不能消除应力和应变而易产生疲劳失效。由于存在这些潜在的混用问题，因此在进行修复或修补时就需要开列两种合金的存货清单，并给出具体的指令进行监控，以使两合金不发生混用。然而，经验显示，不论对这种情形监控得多好，操作员都会趋向使用易用性最好也即流动性最好且熔融温度较低的焊料。因此，尽管焊点最初由Sn/Cu来装配，但大量修补工作可能会用Sn/Ag/Cu合金来完成。如果两种产品都在生产现场使用，那么RA会常用到，不只是好用的问题。双合金装配工艺的要害问题是会导致潜在的可靠性失效且很难对此进行有效地监控。
焊点连接的可靠性试验
为分析Sn/Ag/Cu和Sn/Cu的可靠性，对它们进行各种热和机械疲劳试验。试验描述和试验结果如下：
热循环试验结果
测试板用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和 Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5，以及1206薄膜电阻器制作。之后在-40度到125度的温度范围内，以300、400、500次的15分循环量对该板施以热冲击。然后将焊点分切，检查是否存在裂痕。
试验后检查的结果显示，Sn/Cu合金由于湿润性不好导致某些断裂焊点的产生。此外，成形很好的Sn/Cu焊点在施以第三种500次重复循环设置的试验时，也显示有断裂。
有意思的是Sn/Ag4/Cu0.5和 Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金在经历高达500次重复的试验后没有任何断裂迹象。这显示出Sn/Ag/Cu合金具有Sn/Cu无法比拟的极为优异的耐热疲劳性。但需要注意的是，Sn/Ag4/Cu0.5合金在经过热循环处理后焊点的晶粒(grain)结构的确产生了一些变化。
机械强度-挠性测试
测试板用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和 Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5，以及1206薄膜电阻器制作，对它进行挠性测试。用Sn/Cu0.7制作的焊点在挠性测试中产生断裂，这显示焊点不能承受大范围的机械应力处理。相反由Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5制作的焊点却满足所有的挠性测试要求。
混合解决方案？
为消除电子行业存在的隐患，已开发出了一种完全无铅装配的混合解决方案。她用粗糙的锡铅成品(QFP 208 IC)、有机表面保护剂PWB和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金焊膏构成系统，以复杂性或成本都不太高的方式达到了完全无铅装配的目的。取得成功的关键是这种装配方法能够承受峰值温度为234度的回流加热。需要注意的是，这种装配方法要经过惰性环境的处理。当然，限于元件的效用性问题，以及由元件热容、夹具固定等原因引起?=T变化而造成事实上不是所有的装配过程都能达到234度的峰值板温度，因此不是所有装配都能够进行上述处理。但它给我们的重要提示是，在某些情形下，通过引入某些材料，实现无铅焊接可以变得轻而易举。
结论
无铅焊接问题已受到广泛关注。其中有许多是源自对法规环境的担忧和市场行为的推进。由此大大刺激了活动的开展，其中一些工作对行业的发展是有益的。 加工和可靠性方面存在的几个问题与Sn/Cu合金的使用有关。此外，装配一种电路板使用两种合金也存在问题。如前所述，银是Sn/Ag/Cu合金的高成本组份。由于同低银合金比较，高银合金在加工、可靠性或效用性方面没有特别优势，因此在所有焊接应用中使用不太昂贵的合金才是合情合理的。事实上，低银合金不存在高银合金潜在的银相变问题，且能改进润湿以及熔融温度也稍低。这种合金可从全球数家制造商处购得。最重要的是，体现着Sn/Ag/Cu合金系多种优点的低银Sn/Ag/Cu合金不存在成本局限性问题，因而可在所有的焊料操作中使用。这样便消除了因采用Sn/Cu合金和双合金工艺而引发的相关问题。