ipc-a-610d无铅检验剖析.ppt

IPC-A-610D,無鉛焊接允收規范,簡介,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）,总论,◎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，日文称为回焊，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,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。

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,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，害在玩不下去了日本焊料供应商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。