无铅焊接检验标准

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，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 /Splashes）
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（Ｄindrite），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 Indicador）。

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。