无铅焊接的质量和可靠性分析报告

无铅焊接的质量和可靠性分析

前言：

传统的铅使用在焊料中带来很多的好处，良好的可靠性就是其中重要的一项。例如在常用来评估焊点可靠性的抗拉强度，抗横切强度，以及疲劳寿命等特性，铅的使用都有很好的表现。在我们准备抛弃铅后，新的选择是否能够具备相同的可靠性，自然也是业界关心的主要课题。

一般来说，目前大多数的报告和宣传，都认为无铅的多数替代品，都有和含铅焊点具备同等或更好的可靠性。不过我们也同样可以看到一些研究报告中，得到的是相反的结果。尤其是在不同PCB焊盘镀层方面的研究更是如此。对与那些亲自做试验的用户，我想他们自然相信自己看到的结果。但对与那些无能力资源投入试验的大多数用户，又该如何做出选择呢？我们是选择相信供应商，相信研究所，还是相信一些形象领先的企业？我们这回就来看看无铅技术在质量方面的状况。

什么是良好的可靠性？

当我们谈论可靠性时，必须要有以下的元素才算完整。

1．使用环境条件（温度、湿度、室内、室外等）；

2．使用方式（例如长时间通电，或频繁开关通电，每天通电次数等等特性）；

3．寿命期限（例如寿命期5年）；

4．寿命期限内的故障率（例如5年的累积故障率为5%）。

而决定产品寿命的，也有好几方面的因素。包括：

1． DFR（可靠性设计，和DFM息息相关）；

2．加工和返修能力；

3．原料和产品的库存、包装等处理；

4．正确的使用（环境和方式）。

了解以上各项，有助于我们更清楚的研究和分析焊点的可靠性。也有助于我们判断其他人的研究结果是否适合于我们采用。

由于以上提到的许多项，例如寿命期限、DFR、加工和返修能力等等，他人和我的企业情况都不同，所以他人所谓的‘可靠’或‘不可靠’未必适用于我。而他人所做的可靠性试验，其考虑条件和相应的试验过程，也未必完全符合我。这是在参考其他研究报告时用户所必须注意的。

您的无铅焊接可靠性好吗？

因此，在给自己的无铅可靠性水平下定义前，您必须先对以下的问题有明确的答案。

§ 您企业的质量责任有多大？

§ 您有明确的质量定义吗？

§ 您企业自己投入的可靠性研究，以及其过程结果的科学性、可信度有多高？

§ 您是否选择和管理好您的供应商？

§ 您是否掌握和管理好DFM/DFR工作？

§ 您是否掌握好您的无铅工艺？

只有当您对以上各项都有足够的掌握后，您才能够评估自己的无铅可靠性水平。更重要的，是您才能确保您的无铅可靠性能够提升和有所保证。

举个例子说，很多试验都报告说无铅技术容易出现‘气孔’故障。从常见无铅合金的特性上来看，无铅是较容易出现‘气孔’。但合金特性不是唯一的因素。对‘气孔’问题来说，更重要的因素是焊剂配方（也就是锡膏种类）、炉子性能、工艺设置/调制能力、DFM和器件焊端材料等。如果用户不掌握这些知识，则可能随意的作了一些试验后见到‘气孔’多，就说‘气孔’在无铅中是个问题。而实际上，气孔在无铅中，是可能比那些不懂得处理技术整合的用户，在有铅技术中控制得更好的。

可靠性并非是三言两语可以说清楚的。而是一门需要很多定义、规范、认证、数据支持等等工作的科学。

可靠性的依据和标准：

当我们评估无铅焊点时，其可靠性的合格标准是什么？由于无铅技术是用来取代有铅技术的，一个很自然合理的评估标准，就是和传统的锡铅焊点进行比较。所以我们一般要求新的替代品，应该具有和锡铅焊点‘同等’的可靠性，或最少很接近。所以在一般的无铅焊点可靠性分析中，我们都是和相同设计、工艺下的锡铅焊点效果进行比较。而一般使用Sn37Pb为基准的较多。也有一部分使用SnPbAg为比较基准的。

经过了一段时间的发展，目前由于较多同业偏向看好SAC为无铅焊料的主流，所以不少其他无铅合金的研究上也使用SAC作为比较对象的。

无铅技术的可靠性情况：

经过了约15年的开发研究，我们到底对无铅技术的可靠性把握多少？可靠性不同与生产直通率，它需要一定的使用时间来给于人们较高的信心。这也就是说，必须有较长使用时间和足够使用量的情况下才能有较可靠的结论。

在一项非正式的统计中，我们对业界认为无铅是否可靠得出以下的结果：

§ 94%的报告说‘可靠’

§ 100%的供应商说他们有‘可靠’的材料和方案

§ 87%的研究院报告说‘还需要进一步研究’

而事实上，我们只有约4%的制造商有不超过5年的实际大量使用经验。这对于一些使用寿命要求较长的电子产品绝对是不够的。我们目前靠的主要是试验分析结果。而由于这些试验做法仍然存在着不少问题（请看下一节的解说），我们可以说，目前的可靠性状况，还存在着：

§ 不够完整

§ 不够精确

§ 不够适用的风险

所以当用户在处理这问题时，一个关键就是先前我提到的“您企业的质量责任有多大？”。这是决定你对无铅可靠性的认同态度的主要因素。责任越大，您就应该越不放心，越觉得无铅还是未必可靠。

到底目前业界是如何看法的呢？就一般业界较认同的看法来说，目前我们偏向于相信以下的状况。

对于使用环境较‘温和’的产品，例如室内使用的家用电器、通讯设备、医疗设备等等（注一），我们都认为无铅技术可以满足要求。这类应用中，较多无铅技术研究中发现无铅焊点具有和含铅技术相同或更好的可靠性。但在较‘恶劣’环境下使用的产品，例如航空设备、汽车电子、军用品等等（注二），业界则还不放心。研究结果也发现无铅有时不如含铅技术。图一的研究报告就显示了某些无铅材料的这种特性，SAC可靠性和SnPb比较上，能力会因为所承受应力或应变程度而有所不同。

美国新泽西州一家研究所EPSI机构曾对无铅和有铅技术的研究程度进行了统计分析。其得出的结果是无铅的研究资料只有有铅的10%，而实际经验只有有铅技术的24%（注三）。这也向业界提供了一个信息：我们可能还做得不够！

可靠性研究面对的问题：

上面我提到目前无铅技术的可靠性仍然具有一定的风险。这风险来自什么地方，或是什么原因造成会有风险呢？以下是一些主要的原因。

1．目前使用来判断可靠性（寿命）的常用做法是通过热循环的加速老化试验方法，通过加温减温来给焊点制造应力而使其最终断裂，并记录其寿命（一般是热循环次数），制图和进行比较来评估。而事实上，在应用中我们的条件是和试验中有所不同的。例如温度变化的不规律性、较大的蠕变混合模式等等，这都不是试验中有照顾到的。而目前我们还缺乏一套能够从试验室内的单纯模拟，按实际使用情况推算出实际寿命的方法。所以试验室内的结果，和实际应用中有可能出现较大的差别。而这种差别，在无铅新材料上我们甚至没有理论上的预计和判断，对其变化关系几乎是完全不懂；

2．由于对某些理论还没有掌握，在试验中我们可能做出一些错误的模拟试验设置，结果当然就得出一些错误的信息。比如在金属须Whisker的认证试验中，有些试验采用了高温高湿老化的方法，这做法