KIC特约顾问 薛竞成 撰写

前言：

上两期我们谈论了无铅焊料合金以及PCB焊盘上的镀层材料。这次我们来看看形成焊点另外一端的器件焊端材料，以及器件封装材料在无铅技术中的问题和考虑等等。使用在PCBA上的器件种类繁多，我们只谈常用的无源器件以及半导体封装类的。

进入无铅时代，器件受到的影响和PCB类似，主要来自两方面的问题。一是高温对器件封装的影响，二是无铅焊料和其焊端材料的兼容性。虽然在器件的焊端材料上，有不少在有铅时代就已经普遍采用的材料已经属于不含铅的，例如AgPd，Ni/Au，Sn等等。但由于焊料方面的变化较大，这些原先和含铅的SnPb‘合作愉快’的材料，是否也能够和新的无铅焊料兼容，就是一个必须关注的问题。这次我们就对材料的特性、市场的偏好、镀层厚度的选择等等问题来谈论。篇幅所限，读者如果有什么其他疑问可以再联系我。

无铅器件的重大问题：

虽然焊料合金（锡膏）和PCB焊盘镀层对质量的影响似乎比器件焊端材料大（至少业界的关注显示这种现象）。但用户在器件方面的选择工作却一点也不轻松。主要是由于一块PCBA上的器件不会只是来自一、两家供应商，而各供应商也不会灵活到可以任由用户指定所想要有的焊端镀层材料、工艺、和厚度等指标。如何在众多供应商之间获得最佳的配合以确保PCBA在加工和质量上具有最小的风险，是件十分费时和复杂的工作。也就是说，进入无铅后，我们的DFM工作将复杂很多。

在同一PCBA上，由于器件的结构、热容量和布局的变化，使我们对各器件的焊端条件出现不同的要求是另外一个头痛的问题。在含铅技术中，许多用户其实并没有做到这些考虑。不过由于工艺和质量窗口大，出错的机会可能不高。但无铅技术中随着工艺和质量窗口的缩小，这问题出现的几率也跟着提高了。为了避免巨大的质量损失，我建议用户至少对关键和寿命特性短的器件进行这方面的规范化和控制。

业界对器件镀层材料的研究资料较焊料合金和PCB镀层少很多，只有两三类合金有较多的信息。这对于广大用户来说参考量是很不足的。而且这些研究不少出自器件供应商本身，不只是试验的范围组合有限，结论也不尽相同。例如对于SnBi的研究，日本方面的报告多表现其性能质量优良而甚少有提出问题风险。但欧美的研究报告对它就提出许多怀疑或不理想的评估。另外一点，是由于业界多认为BGA的球形焊点是最难处理的焊点结构，所以大多数的分析，不论是焊料、PCB镀层、或是器件焊端材料，都局限于这类焊点上。而BGA多采用SAC材料作为焊端，所以研究多在这方面上进行。我们知道，焊点的可靠性除了合金材料外，和焊端结构、封装以及工艺都有很密切的关系，所以这些经验对用户照顾到PCBA上的许许多多封装是很不足的。

另外一个问题，是从有铅到无铅的转换，所有的供应商不会有一致的步伐，所以所有的用户都必须得面对同一加工组装过程中有铅和无铅的混合情况。这其实比纯无铅还难搞。一来此时的用户，本身的实际经验属于较不足的阶段；二来此时的工艺窗口可能是最小的时候（比起纯无铅还可能更小）。而同时出现有铅和无铅两种材料，在技术文档、工艺规程、器件编码、仓库管理、返修处理和产品纪录跟踪等等各方面都造成大量和复杂的工作。

以上的各种问题，没有一件是容易解决和处理的。

器件在高温下的考虑：

由于无铅技术在很多时候可能需要较高的焊接温度和较长的时间。在以前有关焊料合金的文章中我解释了较被推广的Sn37Pb的替代品都含有较高的熔点温度。以最被看好的SAC类合金来说，熔点高达217℃左右（看成分而有些微不同），而NEMI( 美国National Electronics Manufacturing Initiative )的建议是焊接温度不低于235℃。不少业界的实际经验是240℃到250℃之间为最理想。这比传统的含铅技术要高出20℃到30℃左右。传统的器件材料是否还能够承受这更高的热能必须给于评估确认。高温的影响主要有四方面。首先是器件的封装是否能够承受得起高温；第二是更高的温度对器件封装吸潮的影响是否较有铅技术中更严重；第三个考虑则是焊端材料和镀层厚度是否能够阻止高温处理中的过度氧化而造成可焊性不良的问题。最后是在高温下器件和PCB的曲翘程度比较大，造成共面性不良引起的虚焊和开路等问题。

在确保供应商提供的器件能够满足耐热的需求方面。IPC/JEDEC推出了一个标准建议J-STD-020C（图一、表一和表二）。建议所有无铅器件必须满足这标准。

图一

表一和二：图一中各个参数指标

所有无铅的器件的耐热性都应该按建议中的标准来衡量。意识到不同封装有不同热容量的差别，表二中容许较高热容量的器件可以承受较低的温度。不过这种做法由于在管理上较为复杂而不被所有用户所接受。用户多喜欢统一的260℃指标。但统一的260℃对供应商肯定有较高的要求。所以并不被所有供应商认同。在采购时必须清楚的沟通，或必要时进行实际测试认证。

第二个考虑是器件的吸潮问题。一般受影响的是塑胶封装的半导体和集成电路类器件。由于无铅焊接的热能增加了，如果器件吸潮了，受热造成的破坏性会更大。业界试验和使用经验中发现有些器件的确在无铅焊接温度曲线下更容易出现封装破裂和‘爆米花效应’问题。由于蒸汽和温度的比例并非线性，在无铅的高温焊接下，虽然温度和含铅焊接提升了约10%到20%，但测量出的蒸汽压力的增加却高达63% 到86%。可以想象其破坏力的提高了。试验和经验总结中，业界多认为无铅的影响是使器件的原有吸潮敏感等级或敏感度必须提高1到2个等级。等级的划分可以参考IPC/JEDEC标准（表三）。IPC/JEDEC也提供了认证器件防潮能力等级的做法，表三和四中也显示了部分测试参数和测试前处理的条件。

因吸潮和高温加热造成的问题，一般常见的有‘爆米花’、封装裂开和内部分层三类。看部位和严重程度，并非所有的问题都能够被目视检查所发现。AOI不好处理这类的检验，非自动AXI可以看出一些问题（但也非100%），但速度成本都不适合生产的条件使用。所以避免这类问题必须从采购前的器件认证着手。以上IPC/JEDEC的标准可以作为一个参考。需要更精确的用户必须和供应商之间商讨和达到双方在方法和成本上认同的结果。

另外该注意的，是虽然供应商一般有提供组装前对器件进行烘烤的做法，但在无铅中应该通过更好的采购流程以及库存条件以避免需要进行烘烤的工作。因为烘烤除了增加工作和成本外，对与原本润湿能力较差，以及容易出现气孔问题的无铅技术也增加了质量控制难度。

表三：湿度敏感性等级和测试条件

表四：防潮能力的回流测试参数

至于第三个考虑因素，也就是关于器件焊端镀层是否能够承受较高的焊接热能而保持良好的可焊性的问题。目前并没有统一的标准存在，而只有供应商或一些投入也就工作的用户的经验数据。由于牵涉的子因素很多，包括材料、电镀工艺种类和参数、厚度、库存条件和时间、以及焊接次数以及参数设置等等，这类标准并不容易制定和达成认同。所以这方面的考虑，用户最好能够有本身的研究认证能力。或和供应商有足够的沟通。要强调的一点，评估供应商报告时必须仔细的评估材料的配搭。如我以前所说的，无铅的材料种类很多，不同的配搭往往出现不同的表现，而这些表现的变化并非可以推算得出的。

共面性不良的问题，在含铅技术中虽然有些国际标准和建议，但实际上并没有很好的获得解决和控制。如今无铅带来可能更严重的曲翘问题，又将进一步使问题严重化。尤其是一些原本共面性就不容易控制的器件，如连接器和BGA等。器件焊端和封装材料的选择、DFM规范（焊盘和钢网）、加热的设置等等都成为必须要做得细的工作。在无铅技术中，焊接时使用托盘、压板和固定条等将会更加需要和使用较含铅时代更频繁。

器件焊端无铅化的材料：

器件使用铅的地方除了引脚或焊端外，在器件内部如芯片组装等也用上。这部分属于一级组装技术，我们这里只谈直接影响SMT用户的二级组装技术部分，也就是器件外露的焊端和引脚部分。器件供应商在处理器件焊端无铅化时基本有两个大的方向。一种是以锡Sn为基材的做法。例如纯Sn，SnCu，SnBi等。另外一种则选择不含Sn的做法，例如Ni/Au，PdNi，Pd等。

技术上可行的材料很多，基本上曾在不同程度上被采用的有：
100%Sn, SnCu, Ni/Au, AgPd, SnAg, SnBi, Ni/Pd, Pd, Ag, SnZn, Ni/Pd/Au, Au, AgPt, SnIn, SAC。

当然不是以上所有的材料都同样受欢迎。从供应量的角度来看，西方业界和日本有明显的不同偏好。西方供应商多使用100%Sn（多为亚光锡），而日本较爱好SnBi合金。大约有80%的西方供应商都提供100%Sn为其主要供应，而约有86%成的日本供应商都提供SnBi为主要镀层材料。除此之外，其他较受欢迎的焊端镀层材料是（按受欢迎程度排序）：

SnCu, Ni/Pd, Ni/Pd/Au, Ni/Au，SnAg, SAC

图二是2002年一项大规模的西方用户调查结果，显示了以上所说的现象。

图二：欧美用户偏好的器件焊端镀层材料

在表现上100%Sn是最接近SnPb的，而且成本在无铅材料中相对不高。所以被西方欢迎。其最大的问题在于产生金属须（Whisker）和IMC增长快等风险。到目前为止，人们对与金属须的原理和控制方法还没有完全掌握，虽然已经有了不少的经验来处理它，但由于在原理上不清楚（只是有观察到的现象经验），所以还不是十分放心。表现其次的是SAC，SnBi和Ni/Pd/Au，但后者的价格很高（由于钯和金的原因）和供应少是个问题。SnBi则遭受铅污染的风险较严重而不被西方接受。Ni/Au在表现上只有润湿性较差与Ni/Pd/Au，而且有较多的实际使用经验。但价格成本是个广大客户不欢迎的因素。

在球形焊端（例如BGA, CSP等）器件上出现了一个较特别的情况，就是业界大多采用SAC作为材料（有不同的成分配搭）。全球约有超过70%的供应都采用SAC。这是因为采用这类焊端设计的封装，一般都比较难加工的关系。所以选择使用和焊料相同（注一）或十分接近的材料以减少工艺变数。但该注意的是，不是所有用户都会采用SAC合金焊料，以及相同焊料也可能带来某些工艺质量问题（例如气孔等）等等。

各种较受欢迎镀层的特性：

器件镀层材料上的研究结果和信息，远不如焊料合金以及PCB焊盘镀层。虽然选择也多样化，但一般的研究较集中于纯Sn、SnBi以及SnPdAu上。下面让我们来看看较受欢迎的一些镀层材料的特性。

100%Sn: 纯锡的好处有很多，首先是其对多数合金的润湿性在无铅材料中都属于较好的；工艺性也较近似SnPb；焊点的可靠性比美SnPb或可能更好；没有铅污染的问题；纯锡可以用电镀工艺而且质量和经验都较好（可以保证质量的稳定），无需进行加工时的合金成分控制；锡自然供应充足，成本相对低（实际成本和SnPb十分接近）；而且业界已经有很多的供应商。

弱点是几种质量问题的无法获得满意的解决。包括金属须，锡瘟和IMC快速增长的问题。

纯锡镀层的器件在焊点的可靠性分析上是被评为较好的。尤其是当他配合较被看好的SAC焊料合金时，不少报告都指出其寿命较传统的SnPb镀层来得长。而纯锡的使用中最担心的金属须问题。目前业界多认为可以通过使用亚光锡（注二）来控制。虽然不少商家有试验报告采用亚光锡没有像亮光锡那样出现金属须，但却也有报告发现亚光锡存在金属须问题。总之在目前对于金属须还没有完全了解和掌握的情况下，这并不是个万全的方法。近来也有出现另外一种处于亚光和亮光之间的锻光锡镀层的，据说其抗金属须能力较亚光锡还强。所以在这课题上，人们还在不断的研究和发展，希望解决金属须的方法能早日出现，那将对纯锡镀层的应用大有帮助。

SnBi：这是最受日本工业界欢迎的材料。其焊接工艺性好；有较久的实际使用和生产经验；焊点寿命长（相当或稍高于SnPb）；没有或只有很低的金属须风险；而且供应商也多（多为日本产家），成本稍高于SnPb（约20到40%）。缺点是有较高的铅污染风险（质量不稳定）；电镀工艺需要严格的控制（因此电镀成本高）；材料回收困难（符合WEEE的要求的成本高），而且在电镀出问题时无法进行返修（纯锡的返修重镀很容易）；在波峰焊中，Bi容易污染锡槽，被污染到一定程度的锡槽会增加焊盘或焊点剥离的故障。另外，由于存在低熔点IMC的问题（高温应用风险较大），目前这镀层并不为汽车业界所接受。

从许多报告中，采用SnBi镀层的焊点有很好的疲劳寿命以及较SnPb强的抗拉强度。其润湿性较100%Sn还好。不过有一个问题，在含铅兼容性上，如果采用含铅的锡合金，其润湿性也许不能满足波峰焊接的快速要求（波峰焊过锡时间短），在回流焊接工艺中则无问题，表现还优于纯锡镀层。

在多数研究报告指出SnBi的可靠性偏好的同时，业界也有试验研究发现其IMC增长率较快的现象。研究结果其推动IMC增长的能量Q值（注三），比起纯Sn高出一倍，比起SnCu高出25%。IMC越厚对焊点的寿命就越不利，所以此发现和其他常见的不同研究报告一样，在人们对无铅技术的了解程度上又提出了质疑。目前这IMC增长较快的原理还不清楚，只估计是由于Bi的出现改变了Cu的渗透入Sn的速度。

在比较Sn，SnCu和SnBi镀层可靠性的试验中，也发现使用SnBi的焊点明显的出现较多的气孔（图三）。这现象也对可靠性不利，而这一因素是否出现在其他认为SnBi可靠的试验中就不得而知。也是另外的一个需要更多分析的疑点。

图三：SnBi镀层器件焊点断层面的气孔

SnCu：常用的是Sn0.7Cu，成本低（高于SnPb约20%）以及配合波峰焊合金是采用的主要原因。由于Sn的含量很高，所以纯锡的问题和担忧都也存在这材料技术中。包括金属须、锡瘟和IMC增长。由于Cu的成分对熔点温度的影响很敏感，所以加工时要很好的控制Cu的成分避免造成工艺质量不稳定的现象。如果使用的器件引脚基材是铜，镀层厚度的测量可能十分困难，影响工艺和质量控制的能力。相对来说，在几种镀层材料工艺中，SnCu工艺是属于较难控制的。此外，库存中的镀层变色也是个关心的问题。

SnCu镀层器件的可靠性，虽然较纯Sn和SnBi稍微差，但相当于传统SnPb，而且其老化程度较其他合金低。所以在可靠性上是被业界所接受的。

Ni/Pd和Ni/Pd/Au：这类材料的好处是有很长的实际使用和制造经验（自1989年起供应市场）；很长的库存寿命（试验报告可达8年）；良好的润湿性（Ni/Pd/Au）和抗拉强度（优于SnPb）；未有报告出现过金属须问题。弱点是钯的天然供应少，成本很高；不适合使用于42合金的引脚上（腐蚀问题）；引脚成形后容易在弯处出现裂痕（据说有新的制造工艺可以避免这问题）。

Ni层能够有效防止Cu渗透入Sn，防止焊点因为IMC和金属迁移造成的气孔问题而影响焊点寿命。

由于Pd的可焊性较差，以及溶蚀速度慢（比Au慢5倍以上），一些供应商建议使用Ni/Pd/Au镀层。但多了Au层和其电镀工艺却是成本增加了。所以客户必须在成本和质量上做出选择。也许这材料的最大问题是自1998年以来成本突然猛涨，而且波动也大。Pd的主要来源是俄罗斯以及曾出现数次的供应短缺也是个供应商担心的因素。

Pd有很好的润湿性，润湿速度较SnPb还快，但润湿角较SnPb大（约20度到30度，注四）。不过这较大的润湿角还是很好的符合业界标准（< 75度）。

镀层的厚度是关键，必须配合焊接工艺使焊点形成在Ni面上（Pd和Au溶蚀入Sn中）。所以质量要求高的用户必须就镀层厚度方面和供应商商讨和进行工艺质量认证。在采用Ni/Pd/Au镀层时，如果PCB焊盘也采用含Au的如ENIG等，引脚和PCB焊盘镀层的总Au量要进行评估以免引起过量Au造成的问题（金脆化问题）。

Ni/Au：Ni/Au也是属于有较长使用经验的材料之一。具有很好的库存寿命和润湿性。可靠性属于变化较大的，关键在于镀层厚度的控制。这是因为镀层太薄降低库存寿命，而太厚又影响焊点可靠性。这必须在选择上达到平衡。尤其是当PCB焊盘镀层也使用如ENIG等含有Au的材料时，控制更加复杂些。我曾见到一些很小批量生产的用户，由于采购量的问题而需要较长的库存期（可能长于1年以上）。所以选择Ni/Au器件。但这些用户往往又是些质量寿命要求比较高的行业。含有足够镀层厚度来确保库存寿命的，有可能就会给他们的焊点造成使用寿命不足的现象。这问题在含铅时代就已经存在，也会延续到无铅技术中。Ni/Au镀层的可靠性一般较其他材料稍微逊色（其Au造成的IMC较弱）。但如果能够很好的控制Au的成分，这类合金镀层也可以提供很好的可靠性。这是因为Ni层的存在可以减慢引脚基材中的Cu渗透入Sn的速度，而当Ni/Au使用与无铅的SAC焊料上时，人们发现其合金CuNiSn可以加强焊点的可靠性，使它强于SnPb。

除了厚度制定的难度外，Ni/Au技术的成本较高，也是一个阻碍它被大量使用的因素。

SnAg：使用较多的是Sn3.5Ag。这材料有很久的实用经验以及普遍的供应，可靠性良好。由于Ag的成分对熔点温度的影响也大，电镀过程对合金成分的控制也需要严格。而且电镀工艺较复杂，电镀液的处理不易又是另外一个环保问题。SnAg还有一个弱点，是Ag本身也很毒，排序中仅次于铅。

SnAg的润湿性较SnPb差，在本文介绍的常见无铅镀层中也属于较差的。所以外观检验标准需要有所区别。在可靠性方面，许多报告都表示SnAg有相当于或稍高于SnPb的抗拉强度和寿命。

SnAg目前还未被广泛的接受和使用。在日本研究和评估的较多。较可能大量使用在DIP封装上。

SAC：这材料的使用多在BGA上，它也是BGA的主要焊端材料，大多数供应商都使用它而似乎成了标准。由于BGA封装的设计在焊接工艺上是比较高难度（注五），所以采用性能最接近焊料合金会较有利。目前大多数研究结构、国际标准组织、供应商和用户看好SAC为将来回流焊接的主流合金，所以BGA焊端也偏向选择SAC。SAC在其他器件上的使用还不普遍。

SAC的使用在BGA上也不是没有问题，其中一个缺点就是熔点和锡膏合金相同。这就回流温度曲线和锡膏配方的要求提高了。否则容易出现气孔的问题。而有BGA产品的回流温度曲线原本就较难设置，所以用户必须更好的掌握工艺和DFM技术。

另外一个问题，是在技术转移的过渡期间，如果BGA供应商已经改用SAC材料，而用户还没有开始进入无铅（仍然使用SnPb锡膏）时，SAC焊端在传统的SnPb焊接温度下（约210到225℃常见）较难形成良好的焊点（注六）。加上BGA底部焊端的温度一般在板上属于较‘冷’部分，所以在要确保BGA焊点可靠的情况下，PCBA上的其他一些器件可能过热。而由于用户尚未正式推行无铅技术，在其他器件的无铅能力上（例如耐热性等等）未必有进行认证控制，这就有可能造成组装加工时出现工艺无法处理的情况。遇到这现象时，唯一可做的可能是采用手工焊接BGA。这又增加了成本（额外工序）、降低效率（手工速度慢）、以及增加质量风险（手工质量）。这点用户必须注意。这也是个典型的被逼转入无铅的例子。

SAC有很好的抗切强度，尤其是其疲劳老化程度较SnPb小得多（图四）。

图四：BGA采用SAC焊球的可靠性

镀层工艺技术：

在器件焊端和引脚的镀层工艺上，目前最常采用的有三类。

· 浸锡工艺
· 电镀工艺
· 电镀+熔化工艺

浸锡工艺的厚度不均匀，可控性差，但镀层密，没有针孔问题。另外一个限制就是不能用在间距小的器件上。电镀工艺可以很好的控制镀层厚度，不过针孔常是个问题。为了解决针孔问题，后来开发了第三种工艺，就是电镀后再进行熔化使镀层针孔复合。不过这种工艺的成本较高。工艺除了决定质量和成本外，也决定所能采用的材料，所以应该一并考虑。

在纯锡的镀层应用中，电镀工艺，尤其亮光锡的电镀工艺基本上是不被接受的。因为这组合很容易出现金属须的故障问题。这是由于电镀过程中遗留内应力的关系。采用电镀后熔化的工艺，熔化工艺能够将内应力给释放或消除，就能够减少金属须的风险。还有就是在电镀工艺中，器件的引脚镀层在成形时较容易出现裂痕（图五），这对库存和组装时的可焊性不利，甚至会引发慢性腐蚀（Creep Corrosion）。但另外一方面，浸锡工艺又不可能处理所有的器件（例如微间距器件就不行）。 所以工艺的选择也必须看个别材料的配搭特性，我这里不可能介绍所有业界可能出现的组合，用户应该在建立工艺和设计规范时给于全面的仔细了解和认证。也就是说，当您在考虑无铅技术的材料时，必须焊料+器件镀层材料+镀层工艺一起考虑和给于指明。以免出现错误的决策。

图五：电镀镀层引脚成形后出现的裂痕

和PCB焊盘的镀层一样，器件焊端的镀层工艺对于用户的工艺质量影响也很大。比如纯锡电镀的电流密度的变化，就可以产生不同粗糙程度的镀层表面。而这就会影响金属须的出现和生长风险。所以用户也必须对其供应商的工艺和质量控制能力进行仔细的了解和评估。

镀层厚度：

镀层厚度和焊接工艺质量很有关系，所以是要求好质量必须关注这问题。但镀层厚度的决定并非是件简单的工作。决定镀层厚度的因素有：材料、电镀工艺、焊料合金、产品设计的复杂度、要求的质量水平、产品上其他的器件种类分布、炉子和工艺能力、库存条件和要求等。所以这不是一朝一夕可以优化的。但如果没有好的做法和系统，用户可能永远也无法做到优化程度。要做到能够很好的决定镀层厚度，用户必须做到以下几点。

1． 了解所选择的焊端材料和工艺的特性，包括库存寿命和故障模式（必要时做实验认证）；
2． 了解该材料的制造（电镀）技术特性和可控性；
3． 了解和所用锡膏种类配合下的焊接工艺要求（温度曲线窗口），这方面不应该有太大的期望能获得现成很好的资料，如果质量要求高，用户最好是自己认证；
4． 了解供应商的工艺能力，以及实际加工中的厚度控制灵活性（愿不愿意提供各种不同的镀层厚度？采购的成本影响？）。必要时对供应商进行实际考察和测量评估；
5． 从公司的运作的情况和制造策略考虑上，制定库存的条件要求；
6． 从以上各点的综合信息制定各种器件、材料的焊端镀层厚度规范；
7． 制定具体的执行规范，并在初期的产品中进行可靠性测试认证。而后决定是否需要修改规范。在达到一定稳定性后推行。对与有质量要求高的产品，用户应该持续监督以上做法，到有很高的信心为止。

镀层的选择认证：

在选择适当的材料和供应商时，在目前无铅技术的复杂性高，把握性未普遍到位的情况下，我建议必须进行一定程度的认证试验。一般而言，认证的内容可以包括以下几个方面。所有考虑必须配合所采用的焊料合金和品牌型号（注七）。

1． 润湿性（润湿时间和润湿力）；
2． 接合力（抗拉和抗切力）；
3． 可焊性（包括IMC，工艺参数要求等）；
4． 镀层的均匀性；
5． 库存条件和寿命；
6． 镀层厚度控制能力；
7． 镀层针孔、裂痕；
8． 外观；
9． 金属须风险。

困难的是，从技术和质量考虑上用户最希望有的，未必能符合产品电性上的要求和所信赖选择的供应商。所以用户也很可能遇到无法两全的时候。这情况下就必须做出补救和取舍。补救指的就是更好的炉子和工艺调整。这就必须有很好的DFM和工艺/设备配合的技术管理体系，读者如果上过我的‘SMT工艺管理课程’，就应该知道我为什么十分强调‘技术整合’，以及设备配置（注八）了。‘取舍’的意思，是当用户无法对每个器件都照顾到时，必须要能够做到应该保住哪些器件焊点，以及如何做就能保住这些该保的焊点。这又要求设计部，基础工艺部和生产工艺部之间的沟通和配合必须做得很好。所以无铅技术在制造上带来的难题，更需要用户有很好的技术管理。

供应商沟通：

在推行无铅的过程，由于供应商在技术和材料的选择和能力上有不同，许多用户可能有需要转换供应商。即使是原有的供应商，也会因为技术的转变或重新认证，而需要多方面的沟通。供应商的沟通管理，是无铅管理上一个重点。事实上，在用户决定是否使用该供应商之前，不论是延用还是新供应商，详细的技术沟通早便应该开始。

一般较有规模的器件制造商，都有一套他们的无铅推行方向、策略和里程计划，以及推行状态的纪录。这是用户首先必须知道的。这是给供应商初步定位的主要依据。也就是从技术方向和时间的考虑上来选出哪些是较适合的供应商。如果用户本身对器件焊端的材料还没有较明确的选择，用户也可以通过这方面的沟通来了解各个供应商选择他们材料和技术的原因依据。从而学习到一些知识。

供应商的沟通可以分开几个阶段。第一个阶段是以上所说的对供应商在无铅技术上的方向以及整体状况做一个了解。第二个阶段则是配合自己的要求（用户应该整理出一个技术要求清单和规范），向供应商提出和商讨他们能够支持您的程度。这里包括供应商所能提供的，完全符合您所要的材料技术组合的试验结果或其用户实际经验。第三个阶段的沟通，主要在于对第二阶段无法满足的项目，供应商如何能够进一步支持您。例如供应商是否愿意投入这方面的认证，或合作开发，或协助您到其他用户处考察等等。双方此时也应该制定一个时间表，而这时间表当然必须满足您内部所计划的推行时间。

供应商和器件镀层技术种类很多，不要忽略了这方面的工作量。要把工作做好，投入适当的资源是必要的。道理似乎简单，但我接触的用户中，多忽视了这方面的安排，以为反正无铅的就行了。当然器件不是决定用户产品质量的唯一因素，不投入是否有问题，就看用户的运气了。

后语：

从器件的角度来看，焊点的形成和可靠性，取决于其焊端镀层材料、厚度、电镀工艺、库存条件和时间、所使用的焊料合金、焊剂配方、以及焊接过程中的工艺（温度、时间）设置和控制的影响。在某些情况下，例如微间距Ni/Au和含Au的PCB焊盘镀层共用时，还得考虑到PCB焊盘镀层的厚度和材料成分等等。加上器件焊端材料的种类多，供应商能力不一等等因素，使得器件焊端材料的规范制定、采购、质量控制等工作具有高度的复杂性。虽然不少器件的无铅材料，在含铅时代都已经使用过，但当焊料合金改成无铅后，所造成的新组合特性可以是截然不同的。而这些变化，并非理论上可以准确的推测得出。这需要实际的使用或试验来了解。业界在这方面的研究显然较焊料以及PCB焊盘镀层方面来得不足。虽然一些较有规模的器件供应商都有提供一定的研究认证资料，但众多的组合以及试验结果的不一致也导致用户判断和选择的困难。另一方面，无铅技术在工艺质量方面带来的窗口萎缩，也提高了用户做出错误选择和质量损失的风险。

足够的资源投入在供应商沟通、工艺和质量认证、技术整合工作因此是重要的。这不仅是对技术的认识问题，也是管理系统的问题。除非用户所制造的产品，对寿命质量的要求不高（例如一些电子玩具和廉价家电之类），否则用户应该自己评估要做到什么程度。而从事加工行业的，对与产品的质量责任也许应该从新定义。

我们这三期谈到无铅材料，以及较早谈到的无铅工艺，用户们都必须在这基础上同时给于综合考虑，才能确保最小的质量和成本风险。很不幸的，无铅带来了较多的工作和压力。也带来是更大的随机竞争情况。做出什么的管理和技术决策，就见仁见智了。不过我还是要提出一个看法，就是无铅技术在带来众多不便和成本增加的同时，也带来了一个企业、部门、以及各人在竞争上重新定位的机会。对与能够看清和把握的用户来说，这或许是个最大的好处。

技术兼管理顾问
薛竞成
2005年8月

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注一：SAC合金现在已被认为是将被最广泛使用的焊料合金。而整个技术和商务的发展趋势也似乎会往这方向推动。

注二：亚光锡（Matte Tin）的主要特性。其有机或碳含量较亮光锡（Bright Tin）小了很多，约20到100倍。微晶颗粒较小，约0.5~0.8微米（亮光锡约1~5微米）。试验结果发现，含碳少的锡以及微晶颗粒小的锡都较能防止金属须的生长，所以亚光锡的防金属须能力较强。另外一个原因，是亚光锡工艺的镀层厚度较厚，是亮光锡的3到30倍。而较厚的镀层也是防止金属须产生的因素之一。

注三：在IMC厚度的公式中有一Q值，表示‘活动能量’。IMC的厚度和此Q值成正比。越大的Q值，在相同时间下就会产生越厚的IMC。所以Q值决定IMC的增长率。

注四：润湿角度不仅和材料有关系，也和焊端结构，锡膏量，锡膏种类（焊剂配方）以及焊接工艺有关。

注五：BGA的封装设计发挥了良好的微型化效益，但在焊接工艺上，尤其是目前作为主流的热风回流焊接，是属于较难的。关键在于BGA底部的空气对流程度很差，必须通过封装本体的导热，容易造成不同部位的焊点温度不均。尤其是和PCBA上的其他小热容量焊端比较时更甚。这是回流焊接中的大忌。在进入无铅技术后，随着焊接工艺窗口的缩小，这问题给用户带来的压力将会更大。

注六：在较低焊接温度下（约 < 230℃），BGA的SAC焊端和SnPb锡膏合金不能很均匀的融合并形成良好的微晶结构。锡膏中的Pb在焊点中会出现较集中的现象。形成类似铅污染的效应，对焊点的寿命造成威胁。

注七：试验和考虑必须针对焊料品牌型号而不只是合金成分。因为许多工艺性，如气孔和润湿性等等都和锡膏的焊剂配方有密切的关系。

注八：在无铅技术中，我建议大家应该仔细的选择性能良好的炉子。不能太过顾虑价格方面的因素。当然价格高的炉子未必好，而且各家有差别，所以选择认证炉子的能力是十分重要的。