一、鉛污染造成銲點(diǎn)浮裂

由于PCB在Z方向的CTE約在55—60ppm／℃之間，再加上SAC305不太柔軟的銲料其CTE約只在22ppm／℃左右；一旦波焊后通孔環(huán)面與銲料之間的IMC ，由于少量鉛份的阻礙而生長不良時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生銲點(diǎn)自環(huán)面的開裂。凡當(dāng)IMC生長良好又強(qiáng)固時(shí)，則還可能出現(xiàn)銲點(diǎn)本身的撕裂。從多量焊環(huán)浮裂的統(tǒng)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)小孔小環(huán)者（14mil以下）竟然較少發(fā)生開裂，這當(dāng)然又是出自入孔銲料的多少，也就是熱量不同所造成的差異效應(yīng)。

電路板無鉛波焊或迴焊中，倘若某些銲點(diǎn)內(nèi)其零件腳之可焊皮膜，過渡期仍採用錫鉛或含鉛錫鉛銀之處理層(Sn36Pb2Ag，177℃)者，則在形成銲點(diǎn)的固化過程中，少量的鉛會(huì)被排擠出來而往PCB銅墊最后冷卻處移動(dòng)。由于鉛份的阻礙，以致焊接中無法順利產(chǎn)生所必須的良性IMC(C u6Sn5)，且更進(jìn)一步形成Sn／Pb／Ag熔點(diǎn)為179℃的三元合金，強(qiáng)度也因而為之大大減弱。且還經(jīng)常由于通孔環(huán)面銲點(diǎn)的收縮，致使其錐型銲體產(chǎn)生Surface Crack，甚至連銅環(huán)也會(huì)自基材上翹起。少量鉛之污染下，導(dǎo)至銲點(diǎn)開裂與銅環(huán)浮離幾乎是必然發(fā)生的，其機(jī)遇率比上述因板材Z方向收縮與銲料不同步者更有過之。

圖1、此為冶金術(shù)中清除少量雜質(zhì)常所用的"帶域精煉法，是另奪金屬棒在強(qiáng)大帶狀熱源緩緩移動(dòng)下，

使得少量雜質(zhì)將會(huì)隨熔融之移動(dòng)而移動(dòng)，也就是會(huì)將雜質(zhì)不斷推擠進(jìn)入液態(tài)中，最后即可予以切除。

此時(shí)可採微切片法進(jìn)一步確認(rèn)其失效模式(Failure Mode)，或採“微差掃瞄熱卡儀，(Differential Scanning Calorimetry；DSC)，針對SAC305各局部銲點(diǎn)去量測出其熔點(diǎn)為何?一旦局部m.P．低于210~C者，即可確知是受到少量的鉛或鉍，其不良性降低熔點(diǎn)的影響。是故日本客戶所偏奸的“錫鋅鉍”低溫銲料，也幾乎一定會(huì)發(fā)生浮裂。

圖2、左圖為有鉛錫膏對無鉛球腳完成焊接后，少量鉛進(jìn)入SAC晶界，進(jìn)而形成GB變寬現(xiàn)象，

右圖即為SEM放大3500倍下所看到微結(jié)構(gòu)松散不牢的實(shí)情，其夾縫中的鉛清晰可見。

另一項(xiàng)有關(guān)銲點(diǎn)開裂的重要原因，那就是銲點(diǎn)局部區(qū)域中少量的鉛，可能會(huì)變成次大性族群，而與305中的錫及銀形成局部性Sn36Pb2 Ag的三元合金，其共熔點(diǎn)(EuteCtiCmp)只有177℃，成為銲體最后固化之區(qū)域，在強(qiáng)度不足下經(jīng)常成為開裂的敏感地點(diǎn)。故知銲點(diǎn)由大量的鉛與錫組成者，其均勻材料之軔性與強(qiáng)度確實(shí)是出自鉛的貢獻(xiàn)；然而一旦當(dāng)鉛份變成微量之污染時(shí)，卻反而因材質(zhì)不均而導(dǎo)至強(qiáng)度不足，工程師們不可不填。

圖3、左圖說明伸腳銲點(diǎn)最后冷卻處是在腳底，也就是少量鉛雜質(zhì)的最后中地，

右圖為腳底微量鉛污染所造成的局部空泛區(qū)，成為強(qiáng)度不足可靠度有問題的危險(xiǎn)區(qū)。

二、鉍污染

鉍污染可能的來源是採用Sn8Zn3Bi (m p191—195℃；日商家電者經(jīng)常指定使用，如NEC)，此波焊(或回焊)銲料之熔點(diǎn)低又便宜，且還可降低含Zn后在溼氣中生銹的趨勢。另一種銲料SnAgBi者(mp215℃亦有業(yè)者使用，不過卻脆性較高且也易生鬚。其他鉍的來源可能是引腳電鍍錫鉍合金之可焊性皮膜，亦或另可採共熔合金42Sn58Bi(m.P138℃)之熱浸方式所加工之皮膜。此種皮膜之延性不佳脆性卻很高，后續(xù)彎腳時(shí)也容易開裂。由于銲料中有鉍時(shí)高溫中會(huì)往銅面移動(dòng)，造成后續(xù)容易開裂的苦惱，于是又只得將墊面改為ENIG處理，但又易惹出黑墊的問題，得不償失所苦何來?

一旦懷疑銲點(diǎn)強(qiáng)度不足可能是出自低熔點(diǎn)合金之病灶者，則可利用熱差掃瞄卡計(jì)(DCS)的方法，針對銲料在升溫中熱流量突變下找出其熔點(diǎn)。

圖4、利用DSC儀器檢測銲點(diǎn)合金之峰溫226.3℃時(shí)，同時(shí)亦可從微弱訊號之另一較低峰溫(99.1℃）處，

得知其銲點(diǎn)中已含有少量鉍成份之雜質(zhì)。圖中之Onset是指曲線向上翹起時(shí)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度。

此圖系利用DSC監(jiān)視銲料熱流量之突變而測出熔點(diǎn)的方法，得知錫銀鉍銲料中發(fā)生0.4％bywt的鉛污染，將在銲點(diǎn)局部出現(xiàn)SnBiP (m.P98℃)的低熔點(diǎn)區(qū)域，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度之不足。

三、錫池之銅污染

SAC305或SAC3807銲料中原始的銅含量分別為0.5％及0.7％bywt，連續(xù)波焊操作中板面上的銅份勢必會(huì)不斷的溶入池中。一般經(jīng)驗(yàn)是銅份上升后總體熔點(diǎn)(mp)也會(huì)跟著攀高，但已設(shè)定的操作焊溫(260—265℃)與行進(jìn)速度(例如1.0一1.2 m／min)下，量產(chǎn)中當(dāng)然不可任意更改隨之起舞。于是在焊溫與熔點(diǎn)間之落差變小(亦即操作范圍的大小)以致黏度增大，于是板面密距密線之間的搭橋與短路，當(dāng)然也就如響應(yīng)斯而逐漸增多。

圖5、左圖SAC305波焊后，相鄰插腳閔發(fā)生空中橋接（Bridge)輿多處鍚球之缺點(diǎn)，右圈為另一橋接之放大圈。

此等缺失的主因即出自銅污染造成錫波粘度變大所致。

而且一旦銅份超出安全上限時(shí)(0.9％bywt)，則還會(huì)在池中形成CuSn，的六角針狀結(jié)晶。此針狀I(lǐng)MC之熔點(diǎn)為415℃，比重為8.28，故在比重為7.44的SAC305池中，靜置時(shí)當(dāng)然會(huì)成為下沉的泥淖，因而可予以撈除。產(chǎn)線正確的做法是當(dāng)銅量由原始配方的0.5％或0.7％上升時(shí)，所補(bǔ)充添加的銲料則宜改用無銅的SAC300(單價(jià)相同)，此種只有錫與銀合金輔料的添加中，當(dāng)然就可用以沖淡掉液錫中銅量上升之弊病。不過一旦已經(jīng)形成了CuSn；的針狀I(lǐng)MC者勢將無法再能回熔，只能在降溫(235℃)與靜置(2小時(shí))后從池底予以撈除，這也是目前最好的方法了。否則液錫之流性必定變差而容易短路，且板面銲點(diǎn)也難免會(huì)出現(xiàn)針狀的外觀，量產(chǎn)線應(yīng)每兩週分析一次銅含量才較放心。

圖6、無鉛SAC錫池中的含銅量太高時(shí)，會(huì)形成Cu6Sn5的針狀I(lǐng)MC，

在無法回熔下將逐漸沉入池底，累積較多時(shí)可設(shè)法予以撈除。

幸好無鉛銲料后起之秀的SCN 錫銅鎳(例如日商N(yùn)S的商品SN100C)，對板面上的溶銅程度比起SAC合金來要減少很多，但也不可超過0.9％(原配方為0.7％)，否則銲點(diǎn)強(qiáng)度也將出現(xiàn)問題。此種SCN不但溶銅較緩、價(jià)格便宜，而且銲點(diǎn)外觀比起S A C來也漂亮很多O不利的是熔點(diǎn)稍高(227℃，幸好焊溫到達(dá)265—270℃即可量產(chǎn))，加以供應(yīng)商只受限于曰商N(yùn)S一家的專利而無法選擇。

圖7、左圖為波焊后呈現(xiàn)光亮平滑的銲點(diǎn)右為SAC焊后呈現(xiàn)灰白外且粗糙無光，并經(jīng)常出現(xiàn)裂紋式之銲點(diǎn)。

四、鐵污染。

當(dāng)波焊錫池為不銹鋼所建造者，其中之鐵成份在液態(tài)SAC的長期高溫中，必定會(huì)被錫份攻擊而形成FeSn，的針狀I(lǐng)MC，并逐漸溶入錫池中(見前圖工2)，以致造成錫池泵浦中重要組件的受損。最徹底的解決方法就是將錫池與配件全部改成鈦合金來建造，才可一勞永逸免除困擾。一旦錫池中液態(tài)銲料之鐵污染超過0.02％bywt(200ppm)時(shí)，則銲點(diǎn)將會(huì)呈現(xiàn)砂鑠狀外表。

圖8、無鉛波焊或涌焊之錫池若採不鏽鋼建造者，于長期高溫中會(huì)被高錫量的銲料（如SAC）所溶蝕，

上二圖即為已損壞的錫池配件，下三圖為反應(yīng)所形成IMC的外觀與放大情形。但銲料中含鎳時(shí)此種腐蝕將大為改善。