PCBA中有铅焊接与无铅焊接工艺的比较

微电子器件中焊点的尺寸越来越小，其承受的机械、电气和热力负载越来越大，可靠性要求也越来越高。电子封装技术包括SMT (Surface Mount technology)、CSP (Chip-Scale Package)和BGA (Ball Grid Array)技术需要通过焊点在不同材料之间实现电气和硬性机械连接，连接的质量和可靠性决定了电子产品的质量和可靠性。即使是一个焊点的故障也可能导致电子产品的完全故障。因此，如何保证焊点的质量是现代电子产品极为关心的问题。

传统的SnPb焊料中含有铅，铅与铅化合物是剧毒物质，长期使用会给人们的生活和环境带来极大的危害。无铅焊料因其环保的优点，正在不断取代有铅焊料。然而，无铅制造不同于PCBA(印刷线路板组装)工艺中的有铅制造，只是参数被修改了。因此，充分认识有铅焊接与无铅焊接生产工艺的比较具有重要意义

无铅焊料与有铅焊料的性能比较：

•无铅焊料的熔点比有铅焊料高
a. 传统有铅共晶焊料(Sn37Pb)的熔点为183℃。
b.无铅共晶焊料(SAC387)熔点为217°C。

由于无铅共晶焊料(SAC387)的熔点比传统的有铅共晶焊料(Sn37Pb)高34°C，结果是:

1)温度升高后焊料易被氧化，金属间化合物迅速生长。
2).有些元件，如塑料包装或电解电容器，比其他元件更易受焊接温度的影响。
3). SAC合金会给元件带来较大的应力，使介电常数低的元件更容易发生故障。
4).元件无铅焊锡面可提供多种焊锡面。锡在焊锡中的应用因其成本低而得到广泛应用。

然而，在锡的表面往往会产生一层薄薄的氧化层。另外，电镀后可能会产生应力。因此，容易产生锡晶须。

•无铅焊料的润湿性比有铅焊料差
与有铅焊料相比，无铅焊料的润湿性明显低于铅焊料。润湿性差往往使焊点在自校准能力、抗拉强度和剪切强度方面无法满足要求。如果不进行修改以弥补这一缺点，润湿性差可能导致焊点的废品率较高。

•无铅焊料与有铅焊料的物理特性比较
下表显示了无铅焊料和铅焊料的物理特性差异

如上表所示，无铅焊料与传统的有铅焊料制造相比，由于焊料性能的差异，必然会对焊点可靠性造成不良影响。从力学影响来看，典型的无铅焊料比含铅焊料更硬。此外，产生的表面氧化物、焊剂污染物和合金残留物可能会导致电接触性能和接触电阻性能的下降。因此，电子产品从有铅制造向无铅制造的转变，无论在电气方面还是在机械方面，都绝不是纯粹的替代，原因如下:

a.由于铅比较软，无铅制造产生的焊点比有铅制造产生的焊点硬，强度更高，转变更小，但这必然会导致无铅焊点的高可靠性。
b.由于无铅焊料润湿性差，会引起更多的缺陷，包括空隙、位移、锡珠等。

对无铅制造的全面关注从含铅焊料向无铅焊料转变时，最突出的区别在于含锡量高(>95%Wt)。因此，应该直接关注以下问题。

•锡须生长
锡晶须以单晶锡的形式从氧化锡层的薄弱部分生长而来，呈柱状或圆柱形长丝状。其缺点包括:
a.相邻引脚之间可能存在捷径
b.可能对高频特征产生不良影响

锡焊层存在压力应力，这被认为是锡须产生的根本原因。例如，当大量不规则的Cu6Sn5金属合金发生时，会形成大量的缺陷，包括锡层上的压力应力积累、元件引脚变形和CTE的不匹配，这些都会导致锡晶须的产生。高锡合金会产生锡晶须，特别是纯锡晶须。然而，许多金属合金如Pb或Bi可以阻止或阻碍锡晶须的生长。

锡晶须可能导致元件的捷径，例如QFP。因此，纯锡可以镀在使用寿命小于5年的低质产品和元件上。对于使用寿命超过5年的高可靠性产品和元器件，应先镀1μm以下的镍层，再镀2 ~ 3μm厚的锡层。

金属枝晶的生长

金属枝晶的生长过程与锡晶须不同。前者源于电化学中的离子电迁移。金属枝晶会导致短路，进而导致电路故障。

生成CAF
导电阳极丝(CAF)是电化学反应导致的另一种失效类型。CAF发生在PCB板内部，是由含铜的阳极导电丝从阳极向阴极生长引起的。

当阳极和阴极连接，两极之间发生短路时，CAF增长到一定程度，最终导致灾难性的灾难。对于高密度PCB组装来说，CAF是一个灾难，而温度较高的无铅焊料更容易发生CAF问题。

锡疫
锡疫是纯锡自发多态相变的结果。当温度低于13℃时，纯锡会由中心方形结构的白锡(密度为7.30g/cm3)转变为中心立方结构的灰锡(密度为5.77g/cm3)。理论上锡疫会带来潜在的可靠性风险，但由于锡中掺杂了杂质，锡疫很少被观察到。

上述讨论的问题是应用无铅焊料时可能出现的缺陷。然而，只要在PCBA工艺过程中利用先进的焊接技术，就可以消除这些缺陷。