无铅波峰焊接质量分析(DOE)

PCBA

摘要：试验设计(DOE, design-of-experiment)方法和统计过程控制(SPC, statistical process control)是评估波峰焊接中无铅工艺的有效方法，其目的是要为特定应用的最佳设置确定基本的控制参数。

本文通过分析无铅波峰焊接的各个工艺参数，运用DOE方法进行大量的试验，采用统计学原理分析产生各种缺陷的工艺因素，并确定优化的无铅波峰焊接工艺。

关键词：DOE；无铅波峰焊；工艺参。

对于波峰焊接工艺，从有铅转变到无铅将影响大多数机器参数。其原因是相对于Sn-Pb合金，无铅焊料熔点的升高将会导致焊接温度的升高；无铅焊料较差的润湿性和易氧化性将会影响到整个波峰焊接系统工艺参数的设定；另外基于环保因素的考虑，无VOC的水基助焊剂和免清洗助焊剂的使用，将会导致助焊剂涂覆系统和预热系统的改变。为了确定无铅焊接所需的工艺参数，检测无铅波峰焊设备能否满足无铅焊接的要求，必须设计一个适当的实验来进行验证。DOE(Design of experiment)提供一个确定无铅波峰焊接工艺参数的有效方法，通过学习和使用该技术，可以大大减少试验研究所需的时间，降低成本。

一个DOE的试验设计是非常重要的，因为最后结果的确定是取决于试验参数的设计，试验的目标是要通过确定设计因素的最佳组合，以尽可能达到最高的品质和可能获得的最好性能实现无铅焊接。

PCBA

第一步是列出控制因素。主要包含对焊接质量有重要影响的参数，而且可以控制输入的。本次试验列出的控制因素包括焊料的选择、氮气保护、助焊剂流量、预热温度、锡炉温度、冷却方式、传输速度7个因素。

第二步是选择试验的方式。采用正交阵列试验方法，用同时变化的因素填充严格定义的矩阵，每个因素的每个级别测试相同的次数。正交阵列和将选作试验的重复次数取决于成本、时间和现有材料，当然因素重复的次数越多，组合的种类就越多，分析的数据和试验的准确性就越高。

第三步是选择运行次数和重复次数，采用7个因素，3个级别的试验，总共测试了200多组不同条件下的试验。
表1为试验选用影响波峰焊接质量的因素和每个因素对应级别的数据。

表1 ： 7因素3级别列表：

因素编号        因素                   级别1              级别2        级别3
   A            焊料                  Sn0.7Cu          Sn3.8Ag0.7Cu      /  
   B            氮气               开（O2800ppm）         关             /
   C        助焊剂流量（ml/min）        20                30            50
   D        预热温度（℃）              90               110            130
   E        锡炉温度（℃）             240               250            265
   F        冷却速率（℃/s）            3                 8             24
   G        传输速度（m/min）           0.9              1.2            1.6

试验结果分析与讨论

试验采用的PCB参数如表2所示，PCB总的焊点数目为208。试验设备采用Sun East CN-300无铅氮气波峰焊接系统，检测仪器为Olympus SZX12体视显微镜和Olympus GX51金相显微镜。

表2 ：PCB参数表

参数                  值
PCB材质              FR-4
PCB厚度（mm）        1.6
通孔直径（mm）       0.8
引脚规格（mm）       0.6
焊盘直径（mm）       1.6
引脚镀层             Cu
焊盘镀层             Cu

PCBA

1．桥连
桥连现象是波峰焊接中最常见的多发性焊接缺陷，产生原因是多方面的。随着无铅化电子组装的应用，桥连等焊接缺陷产生的几率增大。其表观现象为焊料将PCB相邻的焊点之间连接在一起，如图1所示。


        图1 桥连现象

本次试验出现的桥连不是很多，其原因是选用PCB焊盘之间的间距较大，但在一些特殊条件下出现了不同程度的桥连，如表3所示。

表3 试验中出现的桥连现象

编号        焊料        氮气        助焊剂流量        预热温度        锡炉温度        传输速度        桥连数量
1           1           2              1                1               1               3              22
2           1           2              1                2               1               1              10
3           1           2              1                1               3               3              26
4           2           2              1                2               1               1              6

从无铅波峰焊接工艺方面考虑，产生桥连的主要因素有以下几个方面：

1）从表中可以看出，桥连现象出现在无铅焊料Sn-0.7Cu中的几率高于无铅焊料Sn-Ag-Cu，这种现象由无铅焊料本身的性质决定的。在相同的焊接温度下，由于Sn-0.7Cu焊料的润湿性比Sn-Ag-Cu要弱，而且其液态焊料的流动性要差，故在波峰焊接过程中更容易产生桥连缺陷。

2）从表中可知，桥连现象基本上都发生在空气环境下，而在氮气保护环境下没有发现桥连这种焊接缺陷，此种现象说明氮气保护可以增加无铅焊料的润湿性，提高液态焊料的流动性，降低缺陷率，同时氮气保护可以降低无铅焊料的氧化，这是无铅焊接采用氮气保护的重要原因。

3）助焊剂在波峰焊接过程中对焊接质量的影响也是举足轻重的，当助焊剂的涂覆量较少时，在焊接前不能完全除去焊盘或元器件引脚上的氧化物，使得波峰焊接过程中液态焊料在焊盘或元器件引脚上的润湿性降低，从而造成桥连现象，如表3所示，桥连基本上都发生在助焊剂涂覆量较少的条件下。

4）产生桥连现象的一个重要的影响因素就是焊接温度，当钎料槽的温度偏低时，液态焊料的流动性较差，粘度增大，PCB经过波峰时不能提供足够的热量进行焊接，在焊接过程中容易产生桥连现象。当钎料槽的温度偏高时，熔融焊料氧化加剧，液态焊料表面为一层氧化膜所包裹，增加了焊料的表面张力，使表面流动性变差，在波峰焊接过程中同样容易造成桥连。对于SnAgCu无铅焊料钎料槽温度一般控制在250-260℃，对于SnCu无铅焊料钎料槽温度一般控制在255-270℃。

5）预热温度对产生桥连等焊接缺陷起着重要的影响，当预热温度过低时，没有达到助焊剂的活性温度，使得助焊剂除去焊盘或元器件表面氧化物的能力降低，从而导致可焊性降低，易出现桥连等焊接缺陷；当预热温度过高时，使得助焊剂的活性成分过早的挥发，导致焊盘或元器件引脚金属表面再次氧化，在焊接过程中同样亦造成可焊性变差，引起桥连等焊接缺陷，预热温度应根据不同的助焊剂要求而定，一般控制在110-150℃之间。

6）浸锡时间对产生桥连也有一定的影响，浸锡时间过长，在高温下助焊剂的活性成分完全挥发，导致PCB焊点离开波峰的瞬间由于表面张力的增大易产生拉尖或桥连等焊接缺陷；PCB在波峰位置焊接时需要吸收液态焊料的热量，达到焊接效果，浸锡时间过短，当PCB吸收的热量仅提供了焊接所需要的热量或者不能满足焊接所需的热量，使得液态焊料的温度下降，增加其粘度，从而在PCB离开波峰时易产生桥连或拉尖。

从焊接工艺以外的因素考虑，导致桥连的主要因素有：

1）从PCB设计角度来分析，产生桥连的原因是PCB焊接面没有考虑焊料流的排放，PCB线路设计太近，元件脚不规律或元件脚彼此太近。当孔径比引线宽0.05-0.2mm，焊盘直径为孔径的2-2.5倍时，是焊接比较理想的条件。

2）PCB或元器件引脚受到污染或存储时间过长，表面受到氧化，导致PCB或元件脚可焊性不良，同样容易造成桥连。防止PCB焊盘和元器件引脚的氧化，减小元器件引脚的长度。

3）从焊料角度来分析，焊料的可焊性没有达到要求，流动性不是很好。焊料在使用过程中受到污染，导致液态焊料的表面张力增大，焊接过程中容易出现桥连等焊接缺陷。如果桥连出现在PCB的上端，则是焊料的可焊性问题了。

PCBA

2．填充不足

直插件的填充不足现象在无铅波峰焊中经常出现，主要存在于双层板或多层板中，严重影响PCB焊点的机械强度，导电性能，降低焊点的可靠性，如图2所示。


               图2 填充不足

试验中出现的填充不足现象如表4所示。

表4 试验中出现的填充不足：

编号    焊料     氮气   预热温度  锡炉温度 传输速度        助焊剂流量
                                                        1        2        3
1        1        2        1        1        3        208        180      168
2        1        2        1        1        2        200        160       0
3        1        2        2        1        1        208        20        0
4        1        2        2        3        1        168        0         0
5        1        2        2        3        2        208        32        0
6        1        2        1        3        3        208        62        0
7        1        1        1        1        3        200        164       160
8        1        1        1        1        2        194        82        0
9        1        1        2        1        1        28         0         0
10        1        1        1        3        3        175        9        0
11        1        1        2        3        2        60        0         0
12        1        1        3        3        1        20        0         0
13        2        2        2        1        1        208        0        0
14        2        2        2        2        1        26        7         0
15        2        2        1        1        2        208       103       3
16        2        2        2        2        2        175        2        0
17        2        2        1        1        3        208       57        23
18        2        2        1        2        3        208       25        8
19        2        1        3        2        1        6         0        0
20        2        1        3        1        1        34        6        0
21        2        1        2        2        2        46        7        0
22        2        1        2        1        2        148      24        4
23        2        1        1        2        3        170      46        26
24        2        1        1        1        3        34       11        0

从表4中可以看出，由于工艺因素引起填充不足主要有以下几个方面：

1）从表中分析可知，影响通孔填充不足的因素有很多，其中一个主要的因素就是助焊剂的涂覆量，分析其原因是足够的助焊剂可以保证通孔的润湿性，提高无铅焊料在通孔中的填充性。通过试验分析，当助焊剂的流量达到30ml/min时，基本上可以满足此种PCB的填充性要求，再加大助焊剂的流量，效果不明显。

2）钎料槽温度对通孔填充性的影响亦比较大，温度低，液态钎料的粘度大，流动性差，从而导致通孔填充不足，一般对于Sn-Ag-Cu钎料槽温度控制在250-260℃，对于Sn-0.7Cu 钎料槽温度控制在255-270℃。

3）预热温度影响通孔填充不足的原因是通过影响助焊剂活性的发挥，当预热温度过低时，没有达到助焊剂的活性温度，达不到除去表面氧化物的作用，在焊接过程中影响无铅焊料在通孔中的润湿性，从而达不到理想的填充效果，一般预热温度根据助焊剂的特性决定。

4）传输速度是来控制PCB的浸锡时间，因为液态钎料润湿通孔进行焊接是需要一定的时间的。当PCB与波峰的接触时间较短时，使得液态钎料还没有润湿整个通孔时就已经离开波峰，导致填充不足；增加浸锡时间可以提高通孔的填充性。

5）从表中可知，相同条件下Sn-Ag-Cu无铅焊料的通孔填充性要优于Sn-0.7Cu无铅焊料，其原因是Sn-Ag-Cu无铅焊料的润湿性比Sn-0.7Cu好，液态时的流动性亦强。

6）氮气保护可以提高无铅焊料的润湿性，增加通孔的填充性，提高焊点的可靠性。

影响直插件通孔填充性的因素还有波峰高度，这是一个重要的影响因素，当波峰高度不够时，其它工艺因素再怎么优化，都不可能得到很好的填充性。一般单层板的波峰高度为板厚的1/2-2/3为宜，对于多层板波峰高度一般在2/3-3/4为宜。另外轨道倾角同样对通孔填充性产生较强的影响，当轨道倾角较小时有利于通孔的填充性。

由于PCB的特殊设计同样会产生填充不足缺陷。在设计插件元件焊盘时，焊盘尺寸设计应合适。焊盘太大，焊料铺展面积较大，形成焊点不饱满，而较小的焊盘铜箔表面张力太小，形成的焊点为不浸润焊点。当孔径比引线宽0.05-0.2mm，焊盘直径为孔径的2-2.5倍时，是焊接比较理想的条件。而且对于较厚的PCB来说，其通孔填充性要弱一些。

需要说明的是，要得到较好的PCB填充效果，是以上各种因素共同作用的结果，需要对它们进行优化组合，任何一个因素的不良都有可能导致填充不良，控制好每一个因素，达到一个最佳的组合，从而得到优良的通孔填充性。

PCBA

3．表面气孔和内部气孔
气孔主要发生在焊点内部，有时也会出现在焊点表面，呈喇叭状，这种缺陷在电气上暂时也能导通，不会发生电气故障，但会因为使用环境而恶化，使钎料开裂造成导通不良，特别是对于内部气孔，在使用过程中更容易使焊点失效，如图3所示。


         图3 焊点内部气孔

通过对试验PCB的分析数据显示，大部分PCB不同程度的存在表面气孔和内部气孔，其表面气孔呈喇叭状弥散分布在焊点表面，影响焊点外观，内部气孔主要集中在通孔内部，呈规则的圆球型。分析其原因可能是：

1）助焊剂的涂覆量过大，使得过多的助焊剂溶剂在经过波峰时由于焊接温度的升高，使这些溶剂产生气化形成蒸汽，混入液态无铅焊料中，在PCB离开波峰时由于焊点的尺寸较小，凝固速度较快，使得溶解在液态焊料中的蒸汽来不及逸出焊点而形成气孔，当一些蒸汽刚好逸出时焊点表面凝固，从而在焊点表面形成喇叭状的表面气孔，而一些来不及逸出焊点的蒸汽，在焊点内部形成内部气孔，严重影响接头的可靠性。

2）预热温度偏低，没有完全蒸发助焊剂中的溶剂，使得多余的溶剂在波峰焊接过程中蒸发产生蒸汽来不及逸出焊缝形成气孔。
当这两种情况同时出现时，产生的气孔更加明显。由于无铅助焊剂对预热温度的要求增高，需要较高的预热温度，故在无铅波峰焊接系统中，需要通过增加预热区的长度来达到预热的要求，避免产生焊接缺陷。

另外由于环境中的水分过大使得PCB受潮或电镀的有机残留物夹杂在金属化孔内，在波峰焊接过程中同样会造成焊点内气孔。

PCBA

4．剥离（Fillet-lifting）
无铅波峰焊的剥离现象一直是国内外科研人员研究的对象，其原因是这种焊接缺陷是不可修复的，而且极易造成焊点失效。其产生机理如图4所示。


        图4 Fillet lifting产生的机理

从图4中可以看出，PCB本身和焊点在冷却凝固过程中都会产生收缩现象，而且其方向是相反的，从而会在铜箔与焊点的界面处产生拉应力的作用。当界面处承受不了足够拉应力的作用时，铜箔与焊点就会在内应力的作用下产生开裂，形成Fillet lifting。

在整个波峰焊接过程中，PCB和铜盘的物理形态没有改变，而无铅焊料则由液态凝固成固态。如果铜盘表面镀有Sn-Pb合金层或者是无铅焊料中含有合金元素Bi，都会在焊盘与焊点界面处产生低熔点共晶相。在冷却过程中，焊点中心的液态无铅焊料首先凝固，而靠近铜盘附近镀有Sn-Pb合金层的焊料或者含Bi的低熔点共晶相仍为液态。当温度继续降低时，先前凝固的无铅焊料在冷却过程中产生收缩，由于受到拉应力的作用，靠近铜盘的焊料在凝固过程中发生开裂，从而更容易产生Fillet lifting。在无铅化初期，特别是无铅焊料与含有Sn-Pb镀层的PCB共存期间，或者是采用含合金元素Bi的无铅焊料的使用，Fillet lifting现象将更加明显。为了防止这些情况下产生的Fillet lifting缺陷，一个比较好的方法就是在焊后采用快速冷却，使不同熔点的合金相同时凝固。

随着无铅化进程的推进，焊料、PCB和元器件引脚的全面无铅化将不会出现焊接过程中的低熔点共晶相。对于无铅焊料，目前广泛采用的Sn-0.7Cu、Sn-3.5Ag和Sn-Ag-Cu系列的熔点温度接近共晶温度，温度区间窄。故在冷却过程中不会出现低熔点共晶相，出现Fillet lifting缺陷的几率大大减小。

另外一个产生剥离现象的原因就是脆性的金属间化合物层，由于其接触强度低，在一定的内应力作用下，极易在此处产生开裂，形成Fillet lifting现象，使焊点失效。一般IMC的厚度在1-3um之间为易。本次试验采用的无铅焊料为SnAgCu和SnCu，在特定条件下发现了剥离现象，产生剥离位置的金属间化合物厚度达到了10um左右，如图5所示。


     图5 Fillet lifting现象

为了防止剥离现象的产生，一般采用焊后快速冷却，一方面可以使焊点的各个部分同时凝固，减小焊点内应力，另一方面可以大大减小金属间化合物的厚度，从而避免剥离现象的产生。对于Sn-0.7Cu、Sn-3.5Ag和Sn-Ag-Cu系列无铅焊料，冷却速率控制在6-10℃/s左右，基本上可以抑制Fillet lifting的发生。

PCBA

5．金属间化合物
在PCB连接工艺中，使焊料与母材之间发生适当的相互作用，从而实现冶金结合是获得优良焊点的基本前提。这就要求母材组分可以在液态焊料中溶解，并最终可以形成固熔体、共晶体或金属间化合物。在无铅焊接工艺中，金属间化合物相Cu6Sn5的出现是保证焊点与铜箔之间实现冶金连接的基本前提。但由于IMC通常都具有硬而脆的特点，出现过多的IMC相对于焊点的性能是不利的，因此在PCB连接中控制IMC的厚度对于提高焊点可靠性是必要的，一般IMC的厚度在1-3um为宜，如图6所示。


         （a）8℃/s冷却             （b）1.2℃/s冷却
                      图6 IMC微观形貌

IMC的产生和演变是一个与诸多因素相关的复杂过程，焊后液态Sn基钎料/Cu基板界面IMC形态基本为Scalloplike（扇贝型或笋状等），此处的Sn基钎料，包括Sn-Pb、纯Sn、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi、Sn-Ag-Cu-Sb等，在Cu基板上的界面化合物主要是η-Cu6Sn5和ε-Cu3Sn。而Sn-Zn系钎料在Cu基板上的界面化合物则为Cu5Zn8。Sn基钎料的镀Ni基板的界面化合物为Ni3Sn4。以Sn基钎料/Cu基板为例，IMC形成过程分为以下三个阶段[2-3]：

1）在IMC形成之前，熔融钎料与Cu基板接触，合金元素Cu向熔化的焊料中扩散，原始焊料成分随着Cu的扩散加入形成多元合金成分，在钎料/Cu界面上当Cu含量达到局部平衡时，IMC开始在Cu基板上形核。可见，IMC的萌生是以扩散为条件的，涉及到反应元素的供给和反应速率。

2）对于Sn基钎料在Cu基板上的界面反应过程中，从元素间的反应和生成IMC能出发，在一般软钎焊温度下，生成能较低的η-Cu6Sn5金属间化合物相优先在焊盘上形核(SnZn钎料/Cu除外)，这一过程是由元素的反应所控制。

3）当由钎焊的反应控制过程转变为元素的扩散控制过程时，η-Cu6Sn5相不断长大，晶核沿径向、轴向长大形成IMC层，IMC的长大是由界面能控制的，涉及到生成的IMC和基体间界面稳定性问题。

影响IMC厚度的的因素有很多，其中焊后保温过程的影响最大，当焊后在一定温度下保持足够的时间，金属间化合物的厚度明显增大。对于焊接工艺的影响因素，主要从以下几个方面产生影响：

1）采用焊后快速冷却，抑制合金元素Cu的扩散，从而防止金属间化合物的长大，减小IMC的厚度。

2）在保证焊接质量的前提下，尽量减小PCB的浸锡时间。浸锡时间越长，合金元素Cu向焊缝中的扩散深度越大，扩散也越充分，形成的金属间化合物的厚度就越厚。

3）焊接温度对金属间化合物厚度也有一定的影响，当焊接温度升高时，金属原子的活性增强，动能增加，扩散速度加快，使得金属间化合物的厚度增加。

4）采用不同的镀层，对金属间化合物有一定的影响，当采用Ni镀层时，在相同条件下比Cu镀层产生的IMC厚度要小，其原因是Ni在液态钎料中的扩散速度远远小于Cu。

PCBA

6．微观组织
对于Sn-Cu无铅焊料，其焊接接头典型的微观组织为Sn基体上弥散分布着颗粒状的Cu6Sn5，对于Sn-Ag-Cu无铅焊料，其接头的微观组织为Sn基体上弥散分布针状的Ag3Sn,如图7所示。


（a）Sn-Cu的微观组织            （b）Sn-Ag-Cu的微观组织
                 图7 焊缝的微观组织

焊接工艺对接头的微观组织有一定的影响，随着焊接温度升高和浸锡时间的增长，IMC的大小和数量增加。冷却速度同样对IMC的数量和大小有一定的作用，对于Sn-Ag-Cu无铅焊料，缓慢冷却使得Ag3Sn粗化为柱状晶，而快速冷却使得Ag3Sn来不及长大就已经凝固，得到的是弥散分布的球状颗粒，如图8所示。


（a）1.2℃/s冷却                    （b）8℃/s冷却
             图8 不同冷却速率下的微观组织

从图8中可知，冷却速率对焊点显微组织晶粒大小的影响比较明显，当冷却速率较大时，焊缝组织比较均匀，而且晶粒细小，从而增加了焊点的机械性能和导电性能。当冷却速率较小时，则出现组织偏析以及晶粒粗化，其中明显出现了大块的β-Sn组织和柱状的Ag3Sn析出物，降低焊点可靠性。

由于无铅焊接温度和浸锡时间的控制范围较窄，不易随意改变。为了细化焊缝组织，防止IMC的粗化，提高焊点的可靠性，主要通过提高冷却速率的方式。其原因是焊缝晶粒的形核和长大主要发生在焊料合金的熔点温度以下，当在这个温度区域采用快速冷却，焊缝在凝固过程中各个部分将同时形核，形核数目将会增加，从而使焊缝晶粒细化。这也是无铅焊接工艺中采用快速冷却方式的一个重要原因。

PCBA

结论

通过采用DOE的试验方法，对无铅波峰焊接工艺进行评估，分析了产生各种缺陷的影响因素，以及焊点微观组织的特性。采用变异分析(ANOVA, analysis of variance)的统计处理方法，通过控制适当的工艺过程，对无铅焊接工艺参数进行优化，得出最佳工艺组合，提高焊接质量。

1）产生桥连主要的工艺因素有预热温度过低、助焊剂涂覆量过少和焊接温度过低，控制好这几个因素，进行优化组合，增加氮气保护，对减少桥连有很大的作用。另外PCB通孔间距太小、元器件引脚长度过长以及PCB焊盘或引线被污染使得波峰焊接过程中容易产生桥连等焊接缺陷。

2）影响通孔填充性的主要工艺因素有波峰高度、助焊剂涂覆量、预热温度、浸锡时间、焊接温度和氮气保护，另外PCB厚度和通孔镀层对填充性有一定的影响。

3）焊点内气孔和表面气孔主要是由于预热温度过低和助焊剂涂覆量过大，使得通孔内溶剂在波峰焊接前没有完全蒸发引起的。

4）IMC厚度和Fillet lifting主要受焊接温度、浸锡时间和冷却速率影响。当焊接温度过高，浸锡时间过长和冷却速率过低的情况下，使得界面原子的扩散层增厚，从而增加了IMC的厚度，同时增加了Fillet lifting发生的倾向。

5）影响焊点组织晶粒度大小最主要的因素就是冷却速率了，快速冷却可以细化晶粒，提高焊点的可靠性和使用寿命；而缓慢冷却不断使焊缝晶粒粗化，形成粗大的柱状晶，而且也使的IMC的厚度增加，界面处的脆性增强，从而降低焊点的可靠性。

6）通过对焊接质量和工艺因素的分析，结合此种试验PCB的试验结果，确定无铅波峰焊接最佳的工艺组合为：
        无铅焊料：目前应用最广泛的SnCu和SnAgCu系列均适用；
        氮气：最好加氮气保护，O2含量控制在800ppm以下；
        助焊剂流量：应根据不同的PCB要求，一般在30ml/min左右；
        预热温度：应根据不同的PCB要求有所变化，但变化不大，一般在110-150℃之间；
        预热温度梯度：根据不同的助焊剂要求，一般不大于3℃/s；
        锡炉温度：对于SnCu和SnAgCu系列无铅焊料，一般锡炉温度在250-265℃为宜；
        冷却方式：一般冷却速率在3-8℃的范围都是可以的，采用强制自然风冷却或冷水机冷却都是可选的，依据PCB的使用环境而定；
        传输速度：结合焊接质量要求和生产效率的考虑，一般在1.2m/min左右为宜。