1、无铅焊接允收规范有关 PCBA 焊接的各种允收规格，以 IPC-A-610“电路板组装品质允收度 ”为最具权威性的国际规范，此 610 在 2000 年的 C 版是将焊接编在第六章，而 2005 年 2 月全新的 610 的 D 版则将提前到了第 5 章，由于无铅（LF）焊接即将到来，而其允收规格在整体上变动将不在少数，其详情如何早已被业者所密切注意，极欲深入了解以便及早应付。然而 610D 全册是涉及整体电子组装的总括性规格，通盘了解并非本文之目的 。以下将专对焊接部分以简明易懂的文字加以说明。并分析其等更改内容的原委。一、总论1.1 新工法的出现首先在第五章前言中（原标记 5） ，将 C
2、版原列的四种焊接方法之外，D 版又增加了第 5 种代替焊接的全新 PTH 塞印锡膏的施工方法，其各种焊法分别为：原有者烙铁焊接 Solder Irons电阻发热式焊接 Resistance Solder Appatatus波焊或拖焊 Inruction Wave or Drag Soldering（注：原文指电磁感应产生电流而发热之波焊而言）熔焊 Reflow Soldering（注：原文是指将原始焊料熔融所得圆粒锡粉所再制成的锡膏，再一次加热熔融流动而完成 SMT 的焊接而言，japan 称为回焊，台湾业者则直接引用为中文名词，大陆欲另译为再流焊，两者均性字面上的直译。事实上 Reflow
3、应是指锡膏中锡粒在高温中的熔融与贴焊之动作，故译为“熔焊”才是更贴切的译词）新加者：插入式熔焊（Intrusive Soldering） 。诠译无铅（LF ）波焊的焊料以锡铜（ SC；Sn99.3%、Cu0.7%，mp 为 227OC 与锡银铜（SAC；Sn96.5%、Ag3.0% 、Cu0.5%，mp 为 217OC）二者为主流，其等平均操作温度均尽量不敢设得太高（SC 为 270OC，SAC 为 260OC） ，才便搭配 Reflow 焊接等至少前后两次之强热操作，减少许多零组件与某些板材痛苦的双重煎熬，以便将操作降到最低。凡是板面少数还必须执行 PTH 的插孔波焊者，似可改为通孔中先印入
4、无铅锡膏，然后再将引脚挤入，于是只要经过一熔焊后，即可将贴脚与插脚同时焊牢，不过此种全新尝试，目前还在逐渐发展中。1.2 接触角之后在前言中的未尾新增四段文字，又将接触角（contact Angle）的示意图由后移前来到P.5-1 中（C 版原在 P.6-3） 。并明文指出无论焊料与焊垫间，或焊料与引脚间所形成的接触角，均不可超过 90O（另在 D 版 P.5-3 中附有彩色之示意图） 。1.3 无铅焊接的图面标示前言中新增者，还对无铅焊点外观目检规格加以说明，并与锡铅者有所不同（事实上放松频多） 。为了减少争议起见，D 版中特别 附列多张彩色图样做为对比，且在右下角分别加贴黑底红圈与白字之无
5、铅标记 以示区别。而且不定期以两则黑点单列之条文，明白指出无铅焊点的特征（实际上就是的缺点） ，其他品质则与有铅之允收规格相同。两则条文如下：表面粗糙（颗粒状或灰暗）Surface roughness(grainy or dull)接触角变大（Greater Wetting contact angles二、无铅焊点表面粗糙2.1 外观与接触角在 D 版 5.1 节中叙述对三级板类（Class1.2.3）就些二参数其均可允收（ Acceptable）之各文字如下：第一则黑点的文字中，说明无铅焊料若焊后冷却较慢（例 20-30/sec）时，则其焊点外观将呈现灰暗与微裂，有如橘子皮般的颗粒外观，且明
6、白指出此为正常现象，并可加以允收。第二黑点则指明接触角不可超过 900（见前图 1） 。第三黑点更进一步说明，凡当焊料已爬行到焊垫边缘或到过绿漆边界时，冷却后若焊体接触角大于 900 且呈现凸出者，只能说是第二则的例外，对于三级板类均可加以允收：另在本 5-1 节之后，更附有 22 张彩色图片（Fig5-4 到 5-25） ，做为有铅与无铅的目视对比，以及无铅（SAC）焊点的目视允收标准。2.2 橘子状颗粒外观的诠释无铅焊料之主流者锡银铜 SAC305 或 405，此等三元合金在热熔或冷固之过程中，很难达到共晶共熔组成（Eutectic Composition）的理想状态。一般熔焊操作的温时曲
7、线（Profile） ，其峰温（Peak Temp）熔焊区段的升温与降温，保持正常情况时（30C/sec ） ，则降温中 SAC焊料中占最多量的锡（96.5% by wt)，会率先自得冷却（m.p2320C)而成为枝晶（Dendrite)之棒状突出物，其余仍处于液状的共晶（2170C）部份，且将随后冷却面成为较平滑的区间部分。因而总体外观上将出现许多颗粒状的突起，微切片中亦可清楚见到纯锡枝晶均匀分布的现象。而且另外形成 Ag3Sn 白色板条状（platelet)的 IMC 也是有目共睹。事实上结构中颗粒状的纯锡枝晶对强度与可靠度的负面影响不大，反而是共晶区的微裂与 Ag3Sn 的IMC，却是老
8、化中开裂的起源三、无铅焊点出现异常（Anomalies）时的允收规格3.1 各种焊垫外缘其直立侧壁或引脚之截断面，未能沾锡且露铜者均可允收（见 D 版 5.2.1）3.2 垫面或引脚凡因皮膜破损或刮伤而未能沾锡，以致曝露底金属者，只要面积尚未 10%者，均可允收（见D 版 5.2.1）3.3 镀通孔（PTH）插脚波焊焊后发生吹孔（Blow Hole） ，或 SMT 贴焊点呈现见底的针孔（Pinhole） ，或外表之凹陷者，只要焊点尚能符合其他品质要求，则 Class1 可允收。但 Class2 与 3 却须视之为“制程警讯”（Process Indicator） 。读者请注意，从品管与改善之原
9、则看来，发生制程警讯时，客户方面必须见到改善方案与执行决心后，才能对现品考虑允收，是故“制程警讯”反而成了更为严肃的整体性问题（见 D 版 5.2.2）3.4 锡膏熔焊后所得之焊点。若其原始焊膏中锡粒尚可清楚辨识，而并未完成熔融愈合者，则（LF）三级板类均将视为缺点（见 D 版 5.2.3）诠释通常锡膏中之锡粒表面都可能会生长，会生长一层薄薄的氧化物，此薄层氧化物从好的方面讲，是可用以防圆粒彼此间的相互熔合（Cold weld） ，坏的方面是当热量不足时将无法顺利愈合成为整体。3.5 焊点发生不沾锡与缩锡等不良 凡无铅焊点出现不沾锡（Non-wetting）与缩锡（Dewiitting）等不良
10、，而又未能达到品质要求者，均视为缺点而不建议允收。D 板虽然已附列了 7 张图片，但欲表达了理念却相当含湖不清，必然会引发不同立场之间的无穷争议（见 D 版 5.2.4 及 5.2.5） ，此时微切片对 IMC 的观察将大有帮助，缩锡处几乎都不会长出 IMC 来。3.6 发生锡球（Solder Balls）或锡碎焊后出现此等不良现象，且已违反了（减少了）电性上起码应有的绝缘空距（Electrical Clearance）者，对无铅焊锡当然还是缺点（见 D 版 5.2.6.1 所已附列下图 8 之二图）3.7 波焊发生锡桥（Bridging）锡网与溅锡（Solder Webbing /Splas
11、hes）当无铅波焊焊点发生此等不良时，主要原因就是焊料熔点升高，导致粘滞度太大流动性不足，拖泥带水之下进而造成搭桥挂网等严重异常，三组板类仍均视为缺点（见 D 版 5.2.6.2 及5.2.6.3 所附列下图中之四图）液态无铅焊料流动性不足的诠释：若将焊接峰温（Peak Temp）针对焊料熔点（m.p.）所高出的温度落差（T） ，解释成为“火力”或流动性（Flow or Fluidity）时，对锡铅熔焊而言其火力平均为 40OC，锡铅波焊平均可达 67OC。但由于无铅焊料（SAC 或 SC）的熔点已较锡铅上升了 34OC 或 44OC，为了防止零组件与板材被强热所烫伤起见，只好将无铅熔焊与波焊
12、的火力减弱为 28OC 与 48OC。如此一来在火力不旺流动性变慢以致黏滞度增大下，当然就容易发生搭桥短路的诸多缺点了。而且无铅波焊之锡池中，一旦铜污染量超过 0.1%by wt 时，则池中焊料的 m.p.还将上升3OC。在不敢相对拉高峰温下，无铅焊接所需的火力当然就更为不足。此种液料动作之迟滞难免会发生拖泥带水的现象，于是各种狼狈不堪的锡桥锡网，等诸多不够干净利落的严重缺点，也都一一现形。在无法除铜下只好添加纯锡对铜污染予以稀释。无铅波焊的焊温已高达 265-270OC，对 PCB 板面上的各种铜件（ Copper Feature）伤害极大。由于其熔（溶）铅（Dissolution）速率加快
13、与铜污染增多下，造成熔点上升流性而更加变慢下，不但板面遍布破碎残锡外，而且焊点与锡池中所多的铜份，还会生成 Cu6Sn5 的针状结晶 IMC（IMC 即 intermatallic Compound，此物本身具金属性，故材料界称之为介金属。不过也因写得出分子式，让化工界却另称为介面合金共化物） 。此种异物经由马达的扬波带出后，每每使得板面呈现荆棘满地与遍布针状结晶的惨景，其后续还会引发更多的灾难。看样子无铅波焊快要走到了尽头，害在玩不下去了。japan 焊料供应商 NS 公司曾在 SC 中另加少量的镍（0.07%by wt，已有专利） ，宣称可以解决问题。然而想要回到有铅波焊好么良好的境界，并
14、还能够维持长泰久安的局面者，想必还不是那么容易。3.8 扰焊（Disturbed Solder）与 SMT 焊点开裂（Fractured Solder）当焊料已不再是共晶共熔之组成者（Eutectic Composition） ，则热熔与冷凝过程中一定会出现浆态（Pasty range） 。此种固相与液相并存的状态，事实上相当不稳定，一旦自动输送中受到振动抖动等外力干扰时，不但局部焊料（指纯锡部分）会快速凝固形成骨状枝晶（indrite） ，或者出现应力条纹（Stress Lines）等明显外观；其表面有如于筋曝露血管突起之形貌者，特称之为“扰焊”。无铅焊点原本表面就已不够平滑，但若出现应力条
15、纹太多又过分明显者，仍然是扰焊所致，三级板类仍均视为缺点（见 D 版 5.2.7，见图 11） 。至于表面贴装焊点的开裂，其原因也多半出自软弱浆态的时段中，遇到了过大应力的冲击，进而造成无铅焊点冷却后的开裂。三级板类均视之为缺点（见图 12） 。3.9 锡尖或锡突（Solder Projection）此等拖泥带水的缺点在目前锡铅焊料中，也偶尔会发生在波焊后的板面上，主要还是由于火力不足，流性迟缓，以致黏度增大所造成。不过当板面还同时存在绿漆硬化不足的缺失时，则还将助纣为虐而雪上加霜。三级板类无铅焊点出现此等现象，仍均视为缺点（见 D 版 5.2.9 见下图 13） 。3.10 无铅波焊其焊点焊
16、环之浮裂（ Fillet lift）由于 PCB 板厚 Z 方向的热胀系数（ZTE） ，在无铅波焊的强热下平均达 55-60PPM/OC 而已，以致尚未焊牢时就被 CTE 的差异所拉裂了，若不幸无铅焊点中又出现铅污染或铋污染时，则还更是落井下石惨上加惨，有时焊点较牢时连铜环的外缘也被拉起。D 版对于无铅波焊朝上之主板面（Primary Side）浮裂者，三极板类均可允收。然而朝下直接触及热波的焊锡面（Secondary Side，俗称 Solder Side）者，一旦也发现焊点开裂时，D 版认为对 Class3 板类而言就是缺点。但对 Class2 板类却另判为“制程警讯”（Process I
17、ndicador） 。至于 Class1 板类则全未提及如何处理，想必还只能让供需双方另行决定（下图 14 左系出自 D 版之 5.2.10）事实上 IPC 各种规范均未涉及单面板的品质，主要原因是美国 PCB 与 PCBA 两大业界，多年来已不再生产单面板与单面板组装的产品，有所需求的美国品牌商，只要向亚洲业者购买最终之整机成为自己的品牌即可。因而单面板工艺所需的技术与品质文件都一向付之阙如。是故此D 版之 5.2.10 节完全未提 Class1（含单面板类）应该如何允收。而且对有 PTH 的 Class2 双面板与多层板，一旦发生焊点裂口或焊环浮离时，也就另采“制程警讯”的处理方法。由于单
18、面板的各种焊点只分布在 Solder Side 上，连带双多层板，在此“焊接面”发生的问题如焊点分裂与焊环浮离均只字未提。事实上此种一旦焊锡面出现浮离时，其对品质的影响与组件面并无太大的不同，逻辑上仍然可以允收。至于铜环自板材面浮起之案例，凡当外缘浮空的高度尚未超过铜环本身厚度时，D 版并将（非孔环式）各种其他表面焊垫的浮离，也一并归纳在此处。 （见 D 版 10.2.9.2）3.11 焊点之热裂与收口（Heat tear Shrink hole）由于无铅焊料多半难以达到共晶组成，因而焊点在冷却固化的过程中，首先大部分纯锡会率先固化而成枝晶（Dentride ） 。此种高温中众多纯锡枝晶间，尚存在高黏度的液态共晶（Eutetic）式合金。一旦此种固液并存的浆态其维持之时间太长，或受到颇大外力振动干扰时，其最后待冷中央的液体部分，会形成强烈快速的冷却收缩，进而出现所谓的收口（Shrink hole 见上图 14 右画面） 。D 版对此种无铅焊接裂缝颇大收中（见上图右）的允收规格是：焊体裂口尚未太深仍可见到锡底；亦或此种裂口尚未触及到引脚、焊垫或孔铅壁等基底者，则仍可允收。倘若无铅焊点之收口或裂口已见不到锡底，或已直接碰触到引脚或焊垫者，则仍然视为缺点。至于有铅焊接者，其焊点一向不允许出现收口或热裂口。
