摘  要

目前正处于从有铅产品向无铅产品过渡的特殊阶段。由于对无铅焊点的长期可靠性等方面问题的研究还处在初期阶段，在有铅和无铅混用时，可能会发生材料之间、工艺之间、设计之间不兼容等问题而影响电子产品的可靠性。本文主要讨论过渡阶段有铅、无铅混用对可靠性的影响，以及通过对有铅、无铅混用制程分析，介绍不同工艺（再流焊与波峰焊）、不同的组件（无引线或有引脚组件与BGA、CSP等球栅数组组件）、不同混用情况对焊点可靠性的影响及过渡阶段有铅和无铅混用的应对措施与应注意的问题。文章中的观点供参考并与同行共同讨论。

关键词：无铅焊接； 无铅焊料； 无铅元器件； 无铅印制板； 无铅物料管理； 无铅焊点可靠性

由于推行无铅焊接的时间还不长，从理论研究到全面应用的过程比较迅速，目前，虽然在消费类、通信类等领域已经普遍地应用了无铅技术，总体来看，还没有出现太大的可靠性问题。但由于对无铅焊点可靠性方面的研究还处在初期研究阶段，对无铅焊点的长期可靠性等方面的的问题还没有研究清楚，无铅产品的较长期可靠性还不确定。因此，对于高可靠性要求的电子产品，例如军事、航空航天、医疗等领域在RoHS方面是豁免的。
 
2005年底以前，由于元器件还是在从有铅向无铅转换过程中，大部分无铅工艺遇到的问题是无铅焊料与有铅组件混用的问题；由于电子制造业的上游元器件在2005至2006年初已经基本上实现了无铅化，目前已很难买到有铅组件了，因而从2006年中期以后还在做有铅工艺的电子产品，包括获得豁免的电子产品，大部分组件都是无铅组件了，有一些有铅产品已经达到85％以上都是无铅组件；目前，还有一种情况是虽然已经做无铅工艺了，但由于一些库存的有铅组件还需要继续使用，因此，还存在无铅工艺与少量有铅组件混用的情况。

在过渡阶段除了高温带来的可靠性问题外，还存在无铅工艺遇到有铅组件，有铅工艺遇到无铅组件等问题。有铅和无铅混用时，不管是有铅焊料与无铅组件还是无铅焊料与有铅组件混用，都有可能发生焊料合金与焊端或引脚镀层、焊料合金与PCB镀层、元器件与工艺、PCB材料及涂镀层与工艺不兼容等情况。因此，过渡阶段有铅和无铅混用时，任何材料管理、生产线和工艺控制不当都可能发生严重的可靠性问题。

本文主要讨论无铅焊接可靠性与过渡阶段有铅、无铅混用应注意的问题。

1 关于过渡时期无铅焊接可靠性的讨论
关于无铅焊接可靠性问题是制造商和用户都十分关心的问题。尤其是当前无铅焊接材料、印制板、元器件、检测、可靠性等方面的标准还不完善，甚至在可靠性的测试方法还没有标准的情况下，可靠性是非常让人们担忧的。现阶段的无铅工艺和有铅工艺都有可能发生可靠性问题。

从形成焊点的三个要素（焊料、元器件焊端、PCB表面镀层）来看，在采用传统的Sn-Pb焊接时，焊料是Sn-Pb，元器件焊端、PCB表面镀层大多也是Sn-Pb镀层，因此，焊接时焊料合金与被焊接的金属之间的兼容性非常好。Sn-Pb焊接已经有了近百年的应用史，对焊点的连接强度和可靠性也有了近60年的研究，尽管如此，理论界在焊接机理等方面仍有一些分歧，但从总体看，Sn-Pb焊点的电气性能、物理、化学稳定性和机械连接可靠性等方面是能够满足当前各种电子产品的要求，可以说，Sn-Pb焊料是一种被大家公认的、极为理想的电子焊材料。而无铅焊接在发达国家也只有十几年的应用史，对无铅焊接的可靠性研究只有近十年的时间，世界各国研究机构对无铅焊接机理、对不同无铅焊料合金与不同被焊接金属表面焊接后形成的界面合金层、对无铅焊点可靠性等方面还没有统一的认识，无铅焊点的长期可靠性还有待进一步研究。

焊点抗拉强度与缝金相组织结构以及焊接界面金属间化合物的成分与厚度有直接的关系。虽然，无铅焊接过程、焊接机理与Sn-37Pb基本相同，但是，由于无铅焊接中形成焊点的三个要素：焊料、元器件焊端和PCB表面镀层都发生了变化——不但无铅焊接的焊料合金成分和助焊剂成分改变了、组件焊端与PCB焊盘的镀层材料也发生了变化，而且无铅组件的焊端材料种类非常多，因此，形成焊点的三个要素之间的组合变得比较复杂。在同一块组装板上，尤其在焊料与组件这一侧，可能会发生多种不同的界面反应；它们形成最佳金属间化合物的温度、时间等条件也有所差别；生成的金属间化合物的结构、厚度、强度、可靠性也有所不同。在同一块组装板上，如果有一个组件、甚至只有一个焊点不兼容，都可能造成整个电路的故障。

由于镀Sn的成本比较低，因此，目前无铅组件焊端采用镀Sn工艺比较多，但镀Sn容易形成Sn须。Sn须在窄间距的QFP等组件处容易造成短路，会影响长期可靠性；另外，Sn-Ag-Cu焊料与Cu焊接时，遇到微量Pb会发生偏析现象，容易引起焊缝浮起（Fillet-Lifting），也会影响长期可靠性。

无铅焊料是“高锡”焊料。高锡带来的问题是：高温、表面张力大、粘度大、浸润性差、工艺窗口小等问题。因而焊点中的空洞以及界面的微孔比较多，而“高温”又会带来工艺上的难度，可能会损坏组件和印制板，这些问题都会影响无铅产品的长期可靠性。

总之，由于无铅化实施时间不长，还有许多不完善之处。目前，国际上对于无铅产品、无铅焊点可靠性问题（包括测试方法）还处于最初的研究阶段，无铅焊点的长期可靠性还存在不确定的因素，即使完全无铅化以后，无铅焊点的长期可靠性，到目前为止，国际上还没有完全研究清楚。高可靠性产品是获得豁免的产品，因此，高可靠性产品实施无铅工艺必须慎重考虑长期可靠性问题。