前面一篇介紹了電路板無(wú)鉛焊接中任意出現的焊點(diǎn)空洞，本文將介紹電路板無(wú)鉛焊接中的另外兩種隱憂(yōu)：焊環(huán)浮裂與引腳錫須。
SAC所形成的焊點(diǎn)與PCB之間還將存在更多的應力，而此應力又將是波焊后其焊點(diǎn)填錫浮離的主要成因。
零件腳必須先要做上可焊性之皮膜，對于無(wú)鉛製程之實(shí)戰性皮膜而言，目前只有電鍍純錫層可用。焊接后全未沾錫的上半引腳，其后續老化過(guò)程中一定會(huì )生須，而且還都是危險的長(cháng)須；連高錫成份的焊點(diǎn)本身也會(huì )生出矮胖的短須，程度上自不如前者那麼嚴重。從多量的焊點(diǎn)切片看來(lái)，無(wú)鉛焊接在空洞方面，的確要比目前的有鉛焊接要來(lái)得嚴重。而波焊后焊點(diǎn)從銅環(huán)上的浮離，或連帶孔環(huán)也從基材上翹起，都極少在有鉛焊接中發(fā)生過(guò)。至于錫須則幾乎已成為高純度鍍錫與焊錫難以避免的宿命，本文將針對此二項與焊接有關(guān)的缺點(diǎn)加以探討，期能在排解困難與預防方面有所助益。
有鉛共熔合金之波焊時(shí)，倘若錫池中發(fā)生銅污染時(shí)，則其IMC某些位置也會(huì )朝向焊點(diǎn)射出Cu6Sn5的針狀結晶，對焊點(diǎn)強度亦將形成負面影響。

圖1、有鉛共熔合金之波焊時(shí)，倘若錫池中發(fā)生銅污染時(shí)，則其IMC某些位置也會(huì )朝向焊點(diǎn)射出Cu6Sn5的針狀結晶，對焊點(diǎn)強度亦將形成負面影響。
一、焊環(huán)浮裂
無(wú)鉛波焊(例如S A C 305)約在260一2 6 5℃的峰溫下，經(jīng)歷約4秒以上的焊接反應，其隨后的固化過(guò)程中，經(jīng)常會(huì )發(fā)生：（1）填錫主體自銅環(huán)表面的浮起，而且板子上下兩面焊環(huán)都會(huì )浮裂；(2)甚至連帶銅環(huán)也一併自樹(shù)脂基材表面上浮離(Pad Lifting) ；(3)插腳焊點(diǎn)填錫的撕裂(Hot Tearing) ；等三種差異不大的劣質(zhì)焊接情形?，F將其可能成因說(shuō)明如下：

圖2、此二圖均為無(wú)鉛波焊后經(jīng)常發(fā)生的孔環(huán)焊點(diǎn)浮離。
（一）、鉛污染與含鉍焊料之填錫浮起
當進(jìn)行無(wú)鉛焊接時(shí)，在焊料、零件腳、與焊墊等三種參與成員中，都必須要達到全部無(wú)鉛才行。否則任何一方面含有鉛量時(shí)，都將會(huì )造成銅錫介面互熔結合處的不牢，進(jìn)而發(fā)生固化后容易開(kāi)裂的“鉛污染”負面效應。此乃由于無(wú)鉛焊點(diǎn) 。中一旦出現少許的鉛份，則焊接反應的錫銅I M C產(chǎn)生過(guò)程中，鉛會(huì )加速的朝介面移動(dòng)，進(jìn)而妨礙了Cu6Sn5，良性IM C的生成，以致無(wú)法形成強力的焊點(diǎn)。
此二圖均為無(wú)鉛波焊后經(jīng)常發(fā)生的孔環(huán)焊點(diǎn)浮離

圖3、焊接三成員（焊墊、焊料、零件腳）在進(jìn)行無(wú)鉛製程時(shí)，均不可含有任何鉛份，否則將催使少許污染的鉛量，在高溫波焊中迅速朝向銅面移動(dòng)，進(jìn)而妨礙六銅五錫IMC的形成，最后終將形成浮裂。
此點(diǎn)與含鉍焊料出現的“鉍裂”(B i s m u t h S e g r e g a t i o n)在機理上頗為相似，所差異處只是后者液態(tài)焊點(diǎn)中，少許離群的鉍量，卻是出自S n／B i~卻的枝狀固體時(shí)，被該固體所趕出在外的游離份子，進(jìn)而朝向銅墊表面移動(dòng)并阻止了Cu6Sn5的形成，亦經(jīng)常發(fā)生“填錫體”(Fillet)與銅面的分離。
左圖說(shuō)明含鉍之焊料，在其枝狀固體形成的瞬間，會(huì )趕出少量用剩的鉍，此種游離鉍也會(huì )朝向銅墊面移動(dòng)，形成惡名昭彰的鉍裂。

圖4、左圖說(shuō)明含鉍之焊料，在其枝狀固體形成的瞬間，會(huì )趕出少量用剩的鉍，此種游離鉍也會(huì )朝向銅墊面移動(dòng)，形成惡名昭彰的鉍裂。
其次由于無(wú)鉛焊接的高溫與長(cháng)熱，造成Cu6Sn5層的增厚(一般正常I M C只有2-3μm)，此種銅層大幅流失的現象，很容易在切片上看到。I M C太厚了其結合強度與后續使用壽命當然也隨之減少。
（二）、銅環(huán)浮離(Pad Lifting)
當焊環(huán)寬度變窄與板厚增大時(shí)，其焊后冶卻收縮的過(guò)程中，會(huì )見(jiàn)到焊料在XY方面的熱脹系數(CTE)超過(guò)板材，而板材卻又在Z方向的CTE大于焊料；兩種惡勢力的合作下，難免將造成銅環(huán)自基材表面的浮離。此種遭受強大熱應力(Thermal Stress)而發(fā)生的浮環(huán)異常,早巳在業(yè)界時(shí)有發(fā)生并不稀奇。
左圖說(shuō)明電阻器本體，焊點(diǎn)，銅墊，板材等四者熱脹系數CTE的差異， 在高低溫老化過(guò)程中難免不會(huì )發(fā)生銅墊的浮裂。右為在對熱應力試驗后所允收的孔環(huán)浮離。

圖5、左圖說(shuō)明電阻器本體，焊點(diǎn)，銅墊，板材等四者熱脹系數CTE的差異， 在高低溫老化過(guò)程中難免不會(huì )發(fā)生銅墊的浮裂。右為在對熱應力試驗后所允收的孔環(huán)浮離。
無(wú)鉛焊接過(guò)程中的熱量(溫度×時(shí)間)大增與熱應力劇揚下，難免不會(huì )發(fā)生孔環(huán)之浮離。此種銅環(huán)浮離的現象一般在波焊的焊接面，都要比非波焊的零件面要來(lái)得更嚴重。不過(guò)話(huà)又說(shuō)回來(lái)了，這當然還要與銅箔在板面上的附著(zhù)力有著(zhù)最直接的關(guān)系。提升環(huán)氧樹(shù)脂的T g減少其Z方向的C T E，將可取得某些避免浮環(huán)的效果。然而一旦板子必須通過(guò)多次焊接，此種浮環(huán)現象還是難以全免，幸好對于產(chǎn)品實(shí)際用途還不會(huì )造成太大的失效或障礙。
不過(guò)，前文填錫之浮起或此處焊環(huán)之浮離，均可採用【綠漆上墊設限】(Solder Mask On Pad Or S／M Definin g)的方式，在減少焊接面積降低熱量下而得到避免。日本業(yè)者即常在無(wú)鉛焊接中使用此種技巧。事實(shí)上現行B GA或C S P等封裝載板(S ub S tr at e)的植球，早巳實(shí)現這種理念，并利用黏性助焊劑(Ta C kyF 1 u X)，在電鍍鎳金的墊面上進(jìn)行熱熔式植球工程。使得B GA／C S P等封裝成品續在P C B板面上貼焊時(shí)，也還可減少原始植球接點(diǎn)處的裂開(kāi)。
左爲綠漆與銅環(huán)之間留有空距的一般設計法，右圖爲綠漆爬上銅環(huán)外S／M On Pad的設計法，但施工卻不容易

圖6、左爲綠漆與銅環(huán)之間留有空距的一般設計法，右圖爲綠漆爬上銅環(huán)外S／M On Pad的設計法，但施工卻不容易。
左爲63/37錫球之細膩結晶微觀(guān)；右爲無(wú)鉛SAC405錫球之粗糙結晶畫(huà)面。

圖7、左爲63/37錫球之細膩結晶微觀(guān)；右爲無(wú)鉛SAC405錫球之粗糙結晶畫(huà)面。
（三）、焊點(diǎn)撕裂
凡焊料的組成份(C O mp O S it i 0 n)偏離其共熔合金組成者(Eut e C t i C A 11 O y)，則冷卻固化中都會(huì )出現對強度不利的漿態(tài)(P a S ty Ran g e)。此種危險的時(shí)段中，一旦輸送中又發(fā)生震動(dòng)時(shí)，其焊點(diǎn)結晶組織中就會(huì )存在微裂，其外表也經(jīng)常呈現結晶粗糙不平滑之皺紋。且事后的老化(A g i n g)將更令其微隙持續劣化而變成巨裂。無(wú)鉛焊料S A C的三元合金，連原始配方都很難達到共熔組成，何況是量產(chǎn)中不斷受到銅份的滲入，要想完全避免焊點(diǎn)之撕裂．，其實(shí)并不容易。尤其某些產(chǎn)品還要進(jìn)行多次焊接，完全保證不裂當然就難上加難了。
此六圖均爲無(wú)鉛焊料，經(jīng)過(guò)高低溫加速老化后出現的破裂情形；既然難以達共溶組成，而無(wú)法免除聚態(tài)的缺憾，則只好讓生產(chǎn)線(xiàn)儘量減少震動(dòng)，而避免未固化前軟弱漿態(tài)中的微裂。

圖8、此六圖均爲無(wú)鉛焊料，經(jīng)過(guò)高低溫加速老化后出現的破裂情形；既然難以達共溶組成，而無(wú)法免除聚態(tài)的缺憾，則只好讓生產(chǎn)線(xiàn)儘量減少震動(dòng)，而避免未固化前軟弱漿態(tài)中的微裂。
二、引腳錫須
零件腳電鍍純錫后，其皮膜會(huì )逐漸冒出單晶式的錫原子長(cháng)須，此種異?，F象早在1940年代即已出現在文獻中。后來(lái)197 0年間美國太空總署(NA S A)某人造衛星中之關(guān)鍵元件，發(fā)生因錫須而失效的嚴重災情時(shí)，才引起世人對錫須的認知。其實(shí)不只是電鍍純錫層會(huì )冒出很長(cháng)的錫須(2 50μm以上)，連高錫量的無(wú)鉛焊料(含S n 9 5％以上)，也會(huì )長(cháng)出不太危險的粗短錫錐或錫樁，只有加入重量比1 O％以上的鉛量后，錫須才不再發(fā)生。
且由于無(wú)鉛焊料沾錫時(shí)間(wetting Time)較長(cháng)以致動(dòng)作遲緩，進(jìn)而造成接觸角太大，常使得焊墊邊緣發(fā)生露銅。且無(wú)鉛焊點(diǎn)也因加速冷卻下經(jīng)常出現撕裂，下二圖即為典型的實(shí)例。
左爲無(wú)鉛焊接之墊面外緣露銅，右爲無(wú)鉛焊焊點(diǎn)被拉裂之俯視外觀(guān)。

圖9、左爲無(wú)鉛焊接之墊面外緣露銅，右爲無(wú)鉛焊焊點(diǎn)被拉裂之俯視外觀(guān)。
說(shuō)明不同錫須之生長(cháng)情形

圖10、說(shuō)明不同錫須之生長(cháng)情形
（一）、錫須的成因    。
1、鍍錫層之內應力
不管是光亮錫或霧狀錫之鍍層，無(wú)論是何種基本槽液的配方(硫酸亞錫或M S A甲基磺酸錫)，事后都會(huì )不斷的長(cháng)出錫須。最主要的原因就是參與共鍍的有機物，與錫原子間彼此發(fā)生排擠傾軋所致，與人性黨同伐異之排外情結如出一轍。然則一旦鍍液中不添加任何有機光澤劑時(shí)，則只能形成粉狀或須狀等無(wú)用的鍍錫層。有機物參與愈多鍍層愈厚者，其生須也愈快愈長(cháng)。此外，結晶顆粒的大小也影響生須的速度。太多小品粒者能量較高容易生須，粒徑在3-4μm之間者較則為穩定。某些曰商曾發(fā)現錫層底部之電鍍銅層，其生須要比壓延底銅來(lái)的快，而且亦曾利用回火韌化(An n e a l i n g)之技術(shù)試圖避免錫須，但也只能減緩而已。
左為無(wú)添加劑電鍍錫層之原子排列示意圖，右為有機物參加后的擠入情形，亦即內應力之來(lái)源。

圖11、左為無(wú)添加劑電鍍錫層之原子排列示意圖，右為有機物參加后的擠入情形，亦即內應力之來(lái)源。
此四種錫須圖是出自美國另一著(zhù)名學(xué)術(shù)團體NIST之網(wǎng)站

圖12、此四種錫須圖是出自美國另一著(zhù)名學(xué)術(shù)團體NIST之網(wǎng)站。
2、幫倒忙的銅錫I M C
銅底材直接鍍上純錫時(shí)，其介面會(huì )因彼此遷移(M i grat i o n)而形成六銅五錫的IM C，此合金共化物層會(huì )朝向表面錫層施展一種額外的推力，于是又對生長(cháng)須提供了另一股惡勢力。某些業(yè)者亦試曾在銅面先鍍上一層底鎳，意欲擋住錫須的生長(cháng)，事后卻發(fā)現只能減緩而無(wú)法阻止。
銅面電鍍純錫，又經(jīng)長(cháng)時(shí)間或高溫老化后，所產(chǎn)生六銅五錫的IMC，也會(huì )對純錫層發(fā)出推擠的惡勢力，并自其氧化層破洞處冒出錫須。

圖13、銅面電鍍純錫，又經(jīng)長(cháng)時(shí)間或高溫老化后，所產(chǎn)生六銅五錫的IMC，也會(huì )對純錫層發(fā)出推擠的惡勢力，并自其氧化層破洞處冒出錫須。
3、鍍錫層受到外應力
鍍過(guò)純錫的零件腳又經(jīng)彎腳成型后，其內緣會(huì )發(fā)生壓縮性之外應力 (Compressive Stress)，再搭配原本就存在的內應力，錫須當然就會(huì )長(cháng)得又快有長(cháng)了。而且NASA的研究者還發(fā)現，所長(cháng)出的錫須還會(huì )受到電場(chǎng)電位的影響而轉彎，使得危險性又再度增高。
左爲引腳彎折成形時(shí)，所發(fā)生壓縮性與伸張性外應力的說(shuō)明，右爲壓縮外應力之位置經(jīng)60℃/93%RH五周后所引發(fā)的錫須。

圖14、左爲引腳彎折成形時(shí)，所發(fā)生壓縮性與伸張性外應力的說(shuō)明，右爲壓縮外應力之位置經(jīng)60℃/93%RH五周后所引發(fā)的錫須。
4、因熱脹系數CTE的不銅而引發(fā)
當元件底材與鍍錫層的C T E不同時(shí)，其后續熱漲冷縮的熱應力參與中，也會(huì )加速生須，此事實(shí)早已經(jīng)過(guò)多種溫度循環(huán)試驗得到明証。至于只在高溫放置卻也會(huì )加速長(cháng)出者，其原因當然是高溫提供了生須的能量，而較低溫者來(lái)得更快。
（二）、錫須的試驗及允收    。
錫須的檢測方法與允收規格，目前公認者尚未出爐，想必將來(lái)會(huì )在IP與NEM I廠(chǎng)，應可訂定出業(yè)界眾所公認的檢驗方法與允收規范。下列各種試驗法與規格只是某些業(yè)者所曾試用過(guò)的參考資料，目前尚未取得共識：
A、自然放置：
(1)  室溫(2 3℃±5℃)放置6個(gè)月o    ．
(2)  5 0℃±5℃下，乾式放置6個(gè)月。
(3)  5 2℃±5℃下，濕式放置6個(gè)月。
B、加速老化：
(1)  溫度循環(huán)(-4 0個(gè)~q+8 5個(gè)，1000回合，高低溫停留時(shí)間未定).。
(2)  8 5℃／8 5％RH， 1000小時(shí)o
C、允收規格：
目前尚無(wú)出現任何高明手法，可以防止純錫鍍層的錫須，而其槽液中加入少量銅(2％)，鉍(3％)與銀(3．5％)等，所形成與錫之各種合金電鍍，都因種種困難而無(wú)法在量產(chǎn)中實(shí)用。致使待鍍零件腳唯一能鍍者，也只有純錫而已。公認之錫須允收規格尚在研究中，某些業(yè)者暫定的規格是，所長(cháng)出的錫須不可超過(guò)50μm。
左為錫須受到電場(chǎng)而轉向的現象，右為兩隻鍍錫引腳，在空中因生長(cháng)錫須而短路的真相。

圖15、左為錫須受到電場(chǎng)而轉向的現象，右為兩隻鍍錫引腳，在空中因生長(cháng)錫須而短路的真相。
三、結語(yǔ)
無(wú)鉛焊接在政治壓力與商業(yè)利益交織下，目前已成為SMT貼片加工廠(chǎng)家勢不可擋必將到來(lái)到業(yè)界的大革命。所有生產(chǎn)P C B之廠(chǎng)商與P C B A之組裝業(yè)者，都將會(huì )蒙受極大的災難。而此二業(yè)界也多半集中在亞洲，臺灣與中國大陸尤其是首當其衝。屆時(shí)無(wú)窮的煩惱必將傷透無(wú)盡的腦筋，最好還是先做好心理的準備，以?xún)嵙繙p少可能的傷害。