1、可焊性、焊接能力和焊点可靠性之评估和测试 （汕头超声印制板公司 广东 汕头 515065）马学辉 摘要：本文主要在于明确可焊性、焊接能力和焊点可靠性三者之间的联系和区别，指出对它们进行评估 和测试时其各自关注的主要特性和常见的评估和测试方法，同时简单介绍影响它们的关键因素。 关键词：可焊性、焊接能力、焊点可靠性 The Evaluation and Test of Solderability, Soldering ability and Solder Joints Reliability Ma Xuehui Abstract: The objective of the article is t
2、o clearly describe the relation and difference among solderability, soldering ability and solder joints reliability and point out the corresponding characteristics when evaluating and testing these items. Usual evaluating and testing methods are briefly introduced and the critical factors to the ite
3、ms are also briefly discussed. Key words: solderability, soldering ability, solder joints reliability 1 前言 可焊性和可靠性是电子组装行业经常提到的名词。焊接能力则很少有人提起，有人往往会把它跟 可焊性混淆起来，因此有必要把它跟可靠性一并提出来。其实三者是既有联系，又有区别的。它们分别 关注不同的特性，对评估目标是各不相同的，但是却有内在联系。在讨论可焊性、焊接能力和焊点可靠 性之前，有必要首先简单了解一下锡钎焊接的过程。 2 锡钎焊接的过程 借助熔化的填充金属(焊料)来连接金属零件的焊接方
4、式称为“钎焊”。焊料熔点温度高于450的钎 焊称为硬钎焊，常用的焊料有银基焊料和铜基焊料；低于450则称为软钎焊，常用的有锡基焊料和铅 基焊料。电子装配中通常使用的是锡基焊料的软钎焊，称为锡钎焊。 电子装配过程中，使元器件与基板（即PCB板）连接起来的锡钎焊接工艺，是利用熔融的填充金 属（含锡焊料）使接合处表面润湿并分别在两种金属零件之间形成冶金的键合。表面润湿是锡钎焊接的 基础。焊料的润湿过程包括以下三个方面。 1）首先是助焊剂有效地破坏氧化膜或保护层，液体焊料在基底金属上面扩展开来。 2）基底金属溶解进入液体焊料。 3）基底金属与液体焊料进行化学反应形成共价键的金属间化合物层(IMC)。
5、在基地金属上液态焊料的润湿，在各种材料界面张力的作用下，最终将会达到一种平衡稳定状态。 可以看出，这个过程包含有物理的和化学的过程，熔融焊料就像是“胶水”一样，使元器件的端子或引 脚与PCB上的焊盘或焊垫接合并填充形成焊点。这是焊接的基本原理，指的是参与“连接”的材料，包 括焊料（含助焊剂）、元器件的端子和PCB的焊盘通过物理和化学的作用形成焊点的过程。焊接的过程， 除此之外，还必须包括：加热、时间和温度等的设定。可焊性和焊接能力可以说是对焊接在不同方面的 要求和评价，焊点的可靠性则是焊接后焊点方面的结果和评价。 3 可焊性的评估和测试 可焊性一般指金属表面被熔融焊料润湿的能力，润湿的过程如上
6、所述，在电子行业中，可焊性评 估的目的是验证元器件引脚或焊端的可焊性是否满足规定的要求和判断存储对元器件焊接到单板上的 能力是否产生了不良影响，可焊性测试主要是测试镀层可润湿能力的稳健性（robustness）。可焊性测 试通常用于判断元器件和PCB在组装前的可焊性是否满足要求。 焊料润湿性能的试验方法有很多种，包括静滴法(Sessile drop)、润湿称量法(Wetting balance也称润湿平 衡法)、浸锡法等。图1为静滴法的示意图，该法是将液体滴落在洁净光滑的试样表面上，待达到平衡稳 定状态后，拍照放大，直接测出润湿角，并可通过角计算相应的液固界面张力。该法中接触角 可用于表征润湿
7、合格与否，90，称为润湿，90，称为不润湿，=0，称为完全润湿， =180，为完全不润湿。 润湿称量法则是将试样浸入焊锡中，测量提升时的荷重曲线，然后根据该荷重曲线，得出对润湿 时间以及浮力进行修正后的润湿力。 以上两种方法为定量的方法，浸锡法则是定性的方法，是将试样浸入熔融焊料炉，观察焊料在镀 层上的爬锡情况，凭经验定性评估镀层对焊料润湿情况，从而得出可焊性结论。这种方法具有快捷、方 便和费用少等特点，但是它的重复性和再现性Gauge R&R差，两个人在不同时间进行同一测试可能会得 出不同的结论。 可焊性的测试方法，代表性的标准为“IPC/EIA J-STD-003B印制板可焊性试验”和“I
8、PC/EIA/JEDEC J-STD-002C元件引线、焊接端头、接线片及导线的可焊性测试”。润湿称量法由于其具有良好的重复 性和再现性，受到多个标准的推荐使用。 影响可焊性的因素很多，主要有：焊料的合金组成、表面镀层（或者表面处理）、温度、助焊剂 和时间等。目前用于电子装配的焊料合金，主要以锡添加其它金属组成，添加的金属类型和量的比例， 对润湿性能有很大影响。镀层对润湿性能的影响，主要表现为两个方面：镀层的类型和镀层的老化。不 同的镀层类型，其可焊性不同，另外，随着镀层由于存储时间的延长或其它原因造成老化时，其可焊性 越来越差，但是不同类型的镀层老化对其可焊性的影响各不相同。温度对润湿性能也
9、有很大影响，通常 温度越高润湿性能越好。焊剂的活性越高，越能破坏镀层表面的氧化膜，越有助于提高润湿性能。时间 的长短对于金属间化合物层结构的形成会造成影响。作为测量的标准并且确保测量的重复性和再现性， 这些因素在试验前必须得到明确的规定。 4 焊接能力的评估和测试 焊接能力用于评价在特定的工艺条件下，助焊剂和焊料一起确保元器件焊接到PCB上的能力，与 可焊性不能混为一谈。焊接能力涉及的是实际生产条件中，应用的工艺条件、材料包括助焊剂和焊料、 元器件、PCB甚至包括设备、以及设计等这样一个组合。换句话说，焊接能力的良好与否，是工艺、材 料、设备和设计等搭配的结果，不单单是镀层润湿能力是否良好所决
10、定的。一个因素中的问题，可能通 过调整另一个因素来获得优化。经过测试具有良好可焊性的PCB和元器件，如果工艺条件等不能配合， 焊接同样会出问题，说明焊接能力太差。 由于焊接能力涉及如此之多的因素，因此目前并没有测试标准，这是因为，业界存在太多的工艺、 设备和材料的组合，标准根本无法罗列清楚，因此标准的制定变得不现实。因此焊接能力的评估和测试 并不是通过试验决定，而是通过对实际的焊接后的产品来进行的。可用的措施，如外观的检查，通过利 用X光进行的检查、各种功能的测试如，ICT测试等。目前还没有完整的评价体系。 5 焊点可靠性的评估和测试 焊点可靠性指的是，焊点在规定的时间和规定的条件下，完成规定
11、的功能而没有失效的可能性， 用公式表示为R(t)=1-F(t)，F(t)为“累计失效概率函数”，它是一个焊点寿命的理论分布模型。R(t)就是 一个焊点经试验后而没有发生故障的百分比。焊点的可靠性是电子产品可靠性中的一个方面，且是一个 关键的也是最容易引起产品失效的因素。 焊点可靠性是通过可靠性试验来获得的，通常是通过对少量的样本进行可靠性试验，然后对获得 的数据进行统计分析得出关于寿命分布的函数，从而得出其可靠性。如果按照产品正常运行时的环境和 条件进行试验的话，将会经历很长的时间，因此，可靠性试验往往利用加速试验的方法，即采用比产品 正常运行情况下更严酷的条件，如提高温度或湿度，加快物理化学
12、失效退化过程，以尽快获得数据。这 就要求在计算时必须把加速模型中的失效概率、可靠性函数、失效率和平均失效时间等从加速试验条件 转换到产品正常的运行条件。 尽管采用了加速试验的方法，但仍然有可能需要很长的试验时间，因此对于产品可靠性是否可以 接受，客户往往要求供应商通过“可靠性认证试验”来决定。客户预先规定试验的时间、条件和方法， 只要产品在规定的条件和方法下试验时间达到规定的时间后没有发生失效，即算是通过“可靠性认证”。 m 图1 静滴法示意图 s sm 如果在规定的试验时间前发生任何失效，试验通常停止，然后进行失效分析，找到失效的原因。产品进 行改进后再一次进行认证试验直至试验无故障时间一次
13、性达到规定的时间为止。因此，与可靠性试验不 同，认证试验的目的是“通过”或“不通过”。认证试验的样本数量通常小于可靠性试验的样本数量。 焊点可靠性试验的项目很多，包括了在热、机械、冲击和振动、电迁移和腐蚀等条件下进行的试 验，常见的有温度循环试验、高低温存储试验、高压试验、潮湿敏感试验，跌落实验、振动试验、电迁 移试验、腐蚀性试验等等。 焊点可靠性是一个非常复杂的问题。决定焊点可靠性的因素很多，但是基本上认为焊点的微观结 构是决定焊点可靠性的一项重大因素，关键的微观结构就是在焊接过程中形成的金属间化合物层，或者 说界面反应层。因此研究界面反应层生长和反应机理，将会更好的理解焊点可靠性在实验中的
14、表现。另 外，焊点的形态和焊料合金的蠕变也被认为跟焊点的可靠性有很大影响。焊点的微观结构和外形的形成 跟可焊性有密切的关系，其最终形成则主要由焊接的工艺和材料所决定。也就是说，焊点的可靠性与可 焊性和焊接能力密切相关，通过选择正确的工艺和材料，将会获得更高的焊点可靠性。 6 联系和区别 显而易见，良好的可焊性是确保具有高焊接能力和高可靠度的基础。没有好的可焊性，焊接过程 往往会出现问题，因此无法保证焊接能力的提高，形成高可靠性焊点的机会将大大降低。可焊性差的待 焊部位仍可能形成焊点，甚至通过最终的功能测试，但在应力、热或振动的作用下，焊点失效的可能性 将大大提高。 另外，必须明确对三者的评估特
15、性和目标是不一样的。有些人把可焊性和焊接能力混淆在一起。 以为焊接一出现问题，必然是可焊性的问题。其实，可焊性是在实验室中按照标准的条件进行的测试和 评估，它评价了特定的熔融焊料对试验的PCB或元器件的润湿能力的大小，主要是测试镀层可润湿能力 的稳健性，并不是在模拟实际生产。实际生产的可焊接性能应该通过焊接能力来进行评估，它是工艺和 材料（包括焊料、助焊剂、元器件、PCB等）甚至是设备和设计所搭配整合的结果，焊接能力的提高必 须通过对这些因素的优化组合，当然，可焊性是基础。焊点的可靠性是由焊接结果的评估和测量所决定， 它由试验结果数据统计得出，它跟可焊性和焊接能力密切相关。可以说，可焊性和焊接
16、能力是对焊接在 不同方面的要求和评价，焊点的可靠性则是焊接后焊点方面的结果和评价。当前，由于法律和环境考虑 的要求，电子产品正在经历无铅化的过程，焊料正从铅锡合金转向无铅合金，其它各种材料和焊接工艺 也正在改变之中，因此在对可焊性、焊接能力和焊点可靠性进行评估和测试时，必须考虑到标准和方法 的改变。 参考文献 【1】Graham Naisbit 无铅合金的可焊性测试 EM asia china网电子杂志 2006年9月 【2】John H. Lau Agilent Technologies, Inc. 无铅焊点的可靠性及其验证试验 EM asia china网电子 杂志 2006年9月 【3】日菅沼克昭 著 宁晓山 译 无铅焊接技术 科学出版社 (2004年) 【4】李宁成 博士 再流焊接工艺及缺陷侦断 拓普达资讯传播有限公司 出版（2004年）
