无铅分析报告

分析报告

测试名称：焊点的可靠性分析

Testing Name：Solder joint reliability analyzing

测试机构：无铅焊接研发中心

Testing Organization：Lead-free Soldering R&D Center

报告分析人：胡强，李大乐

Report Analyzer：HU Qiang,LEE Da-le

测试日期：2004-11-6

Test Date：2004-11-6

测试板的工艺参数如表1所示

表1测试板的工艺参数

参数值

PCB材质

PCB厚度（mm） 1.6

引脚镀层

焊盘镀层

焊料牌号M705

焊料成分Sn-3.0Ag-0.5Cu

助焊剂牌号ESR-260S

助焊剂流量（ml/min）

波峰焊设备名称Suneast SAC-3JS

轨道传输速度（m/min） 1.2

预热温度（℃）130,135

锡炉温度（℃）265

冷却速度（℃/s） 5.7

通过体式显微镜对PCB焊点的表面进行观察，存在焊点表面裂纹等焊接缺陷，如图1所示。

图1焊点的表面裂纹

从图中可以看出，表面裂纹发生在焊点的弯月面位置，而且裂纹方向大部分平行于元器件引线。通过对PCB其它焊点表面裂纹的观察，基本上都存在这种方向性。通过对表面

裂纹的高倍观察，发现表面裂纹并没有延伸到焊点底部，终止于很浅的位置，如图1所示。为了更好的观察裂纹增长的长度和分析裂纹产生的原因，对焊点作截面分析，如图2所示。

图2裂纹的截面图

裂纹产生的原因是多方面的，PCB所用的材料、无铅焊料的特性、焊接工艺等因素不当都有可能产生裂纹这种焊接缺陷。

1．当PCB的线膨胀系数过大时，在冷却过程中容易产生较大的收缩量，从而容易在焊点凝固过程中产生内应力，导致裂纹的产生。

2．无铅焊料的特性是否满足要求，最好是共晶成分，特别不能受到铅的污染。另外如果无铅焊料中含有合金元素Bi，则更容易产生裂纹。

3．对于工艺因素来说，预热温度应当适中，避免波峰焊接时对PCB的热冲击，造成PCB的热变形，造成裂纹的产生，同时建议采用焊后快速冷却，可以避免裂纹的产生。

从图1和图2中分析可知，裂纹尖端比较圆滑，从而说明裂纹是在冷却过程中产生的液相裂纹，其原因是由于PCB的收缩产生向下的应力，靠近元器件引线的钎料收缩亦产生内应力，从而在焊点位置出现应力集中，当焊点局部冷却速率相对于其它位置较慢时，钎料之间的结合力相对较弱，很容易产生这种液相裂纹。

产生裂纹的最主要原因就是PCB材质，当PCB材质的线膨胀系数较大时，在焊接过程中产生较大的变形，从而很容易产生裂纹等焊接缺陷。特别是对于无铅焊接，由于预热稳定的升高和焊接温度的升高，对PCB材质的要求更高，要求更高Tg值的PCB材质，以满足无铅焊接的要求。

通过对热冲击试验板的分析，发现此种圆滑尖端的裂纹并没有扩展，从而更进一步说明了此种裂纹是在焊接过程种产生的液相裂纹。通过热冲击试验后在PCB焊点中出现了极少量的微裂纹，如图3所示。

图3热冲击中形成的微裂纹

从图中可知，此种裂纹终止于尖端，产生的原因是固态下由于内应力的作用产生的撕裂，明显不同于液相裂纹的圆滑尖端。

通过对PCB焊点的分析，无铅钎料对焊盘和元器件引线的润湿性以及通孔的填充性都

比较良好，如图4所示。

图4焊点的形貌

但在少量焊点内部存在夹杂和气孔，其主要原因是由于助焊剂的涂敷量过大或者是预热温度过低，造成过多的助焊剂溶剂在波峰焊接之前没有完全蒸发，在焊接过程中残留在通孔内形成夹杂或气孔，如图5所示。

图5焊点内部的气孔

通过对焊点的微观分析，无铅钎料于PCB焊盘和元器件引线之间的结合良好，形成金属间化合物的厚度适中，如图6所示。

图6IMC的形貌

通过对PCB试验板的分析，无铅钎料对于PCB焊盘的润湿性比较好，填充效果比较良好，而且经过150此热冲击后钎料与焊盘或元器件引线之间的连接基本上没有变化。焊接中出现的主要缺陷为裂纹，分析其主要原因是PCB所用材质的线膨胀系数过大，在焊接过程中造成变形，从而造成裂纹的产生。对于无铅焊接，特别是对于双面混装板，对于PCB 材质的要求更高，一般建议采用FR-4板或更高。

另外一个影响裂纹产生的重要原因就是无铅钎料的成分，特别注意Pb的混入，注意PCB镀层和元器件引脚镀层的成分。因为传统的镀层大部分采用Sn-Pb，当采用无铅焊接时，如果镀层仍为Sn-Pb镀层，则很容易在焊接过程中产生低熔点合金，造成液相裂纹的产生。

从无铅焊接工艺来说，预热温度过低或焊接温度过高，都容易造成对PCB的热冲击，从而造成PCB的热变形，容易产生裂纹等焊接缺陷。从提供的参数来看，对于设定的参数，预热温度130℃和135℃比较正常，但是从曲线上的预热温度来看不到100℃,说明预热温度偏低。对于预热温度，一般PCB板底控制在120-150℃之间是比较理想，具体的视助焊剂的特性决定。对于焊接温度，设备的温度为265℃可能偏高，对于Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅钎料，焊接温度一般控制在255-260℃之间比较适宜，以防止波峰对PCB的热冲击，但是从温度曲

线分析，峰值温度只有245℃左右，对于无铅焊接温度相对偏低，请确认具体的温度。