無(wú)鉛焊料不僅成本較貴，焊接溫度攀高(平均約30℃)，而且其焊點(diǎn)強度方面，也遠不如現行共熔合金Sn63／Pb37之可靠。不管波焊或熔焊，無(wú)鉛焊點(diǎn)都會(huì )經(jīng)常出現空洞(VoidS)、漏焊(Skip)、錫球(SolderBa11)，搭橋(Bridge)、立碑(TombStoning)等缺點(diǎn)，比起正統錫鉛者當然要嚴重很多。以下即就某些常見(jiàn)的明顯缺失，詳細加以說(shuō)明。
現役錫膏所熔焊成的焊點(diǎn)，其腳尖焊性困難區仍可能會(huì )出現空洞

圖1．左上圖為SnPb現役錫膏所熔焊成的焊點(diǎn)，其腳尖焊性困難區仍可能會(huì )出現空洞。上右為某種SnAgCu無(wú)鉛錫膏所得到的焊點(diǎn)，下兩圖則為另二商品化錫銀銅之錫膏所形成的焊點(diǎn)，大體看來(lái)品質(zhì)還算不錯。
一、高溫對板材與元件所帶來(lái)的衝擊
由於各種無(wú)鉛焊接之熔點(diǎn)與焊溫，平均要上升30，C以上，且預熱時(shí)間與焊接時(shí)間也會(huì )隨之增長(cháng)，難免會(huì )對零組件與板材帶來(lái)很大的衝擊。例如電解電容器(Electr。lyticCapacit。rs)即很容易遭到熱傷害，某些塑膠封裝的IC本體(如PBGA類(lèi))也常發(fā)生爆米花(Popcorn)式的龜裂或變形。至於長(cháng)時(shí)段高溫后的板彎板翹，更將是司空見(jiàn)慣俯拾皆是。有時(shí)連綠漆也會(huì )變軟，以致所產(chǎn)生的錫球錫碎也為之額外增加。外觀(guān)即使還過(guò)得去，其功能上的障礙亦在所難免。而且此等高焊溫與長(cháng)焊時(shí)的無(wú)鉛焊接，惡劣者甚至可能造成目前含鹵板材(環(huán)氧樹(shù)脂含臭之重量比約20％以上)的裂解，更糟時(shí)還會(huì )出現巨毒戴奧辛(Dioxin)的風(fēng)險。因而無(wú)鉛焊接還必須配合無(wú)臭高Tg板材的同步上線(xiàn)，方不致功虧一簣為德不卒。其實(shí)無(wú)鉛焊料也并非絕對無(wú)害於環(huán)境，所加入的銻與銀含量亦無(wú)法通過(guò)EPA之溶出試驗。

圖2。無(wú)鉛SnAgCu波焊(275<℃)之焊溫已較現役SnPb者(250℃)高出20—30℃，且預熱時(shí)間也須延長(cháng)。

圖3．此為現役Sn趵錫膏與無(wú)鉛錫膏之兩種熔焊，在峰溫與焊時(shí)方面的比較，后者峰溫已達250~C，時(shí)間也延長(cháng)到50秒以上
二、通孔波焊容易發(fā)生環(huán)面焊點(diǎn)浮裂
通孔中插腳經(jīng)波焊后，其引腳與焊環(huán)之間所形成的無(wú)鉛填錫體(Fillet)，很容易會(huì )從銅質(zhì)焊環(huán)表面向上翹起浮離；以含鉍者最糟。通常該等焊點(diǎn)之愈外緣處裂口最大。經(jīng)過(guò)許多業(yè)者針對其各種失效機理之深入分析，可從下圖及圖說(shuō)中窺得一二。

圖4．此圖即為無(wú)鉛焊料波焊后其通孔焊環(huán)面填錫體所發(fā)生”浮裂”(Fi11etLining)之情形。原因是出自無(wú)鉛焊料在X與Y方面的熱脹系數(TCE)大於PCB；而電路板在Z方向的TCE又超過(guò)無(wú)鉛焊料，於是冷卻收縮中雙重剪應力(ShearForce)兩害相逼之下；又加上液化熔點(diǎn)(LiquiduSPoint)與固化熔點(diǎn)(SolidusPoint)之間的不良漿態(tài)范圍(PaStyRange)甚寬，以致延遲固定等各種負面效應的累積，造成此種前所少見(jiàn)的特殊缺失。幸好經(jīng)過(guò)各種可靠度考驗后，此種浮裂還不至進(jìn)一步惡化。在無(wú)法徹底避免前，於是就有人提出乾脆一律視為正常算了。

圖5．此三圖即為”Bi-Segregation”失效的過(guò)程說(shuō)明。左二圖表示降溫接近固化點(diǎn)時(shí)，含鉍焊料的某些侷部份區域，會(huì )從漿態(tài)先行硬化而成為固態(tài)，形成魚(yú)骨狀的Dendrite，同時(shí)還會(huì )將鉍原子趕出到鄰近尚處於液態(tài)的焊料中。當鉍接近銅面時(shí)還會(huì )進(jìn)一步妨礙銅錫之間良性IMC的形成，終而減弱了介面的固著(zhù)力而出現所謂的鉍裂。右圖一說(shuō)朗無(wú)鉛焊料輿銅墊間生成“多鉍”（Bi—RiCh)的不良薄層后，又加上焊料與板柏兩者收縮中剪應力的雙重打擊，於是造成了垂直的浮裂。
目前已研究出解困的方法有二：其一是焊后之降溫刻意加速冷卻之；其二是錫鉍之外再另加第三或第四種金屬。此等手法不但可使得焊點(diǎn)合金的微結構(MiCroStruCture)更為細膩化，還可對此種Bi—Segregation的致命傷予以降低，并更能減少鉍成份往銅體移動(dòng)的趨勢。
三、無(wú)鉛焊料不可匹配現行有鉛之噴錫處理
凡採用無(wú)鉛焊料時(shí)，其板面焊墊或零件腳等，所有表面之可焊處理層均不可含有鉛份。否則焊點(diǎn)將因少量之廠(chǎng)鉛污染』，進(jìn)而造成子L環(huán)焊點(diǎn)的浮離。原因是焊接中少許鉛量也會(huì )往銅介面處移動(dòng)，在Cu。Sn，良性工MC的不易形成下，將很容易出現浮離裂口(見(jiàn)前圖2。之右下小圖)。
且含鉍者尤其對鉛污染非常敏感，因此等鉛污染會(huì )使得焊點(diǎn)組織中形成Sn-Pb-Bi三相共熔之侷部結構，進(jìn)而會(huì )帶來(lái)焊點(diǎn)強度不足的隱憂(yōu)。下左圖為熱震盪(ThermalSh。Ck)前的微晶結構，右圖為熱震盪后的微晶結構。此種共晶式強度不足的缺失，加入2—3％的錮（Indium）即可得到改善。

圖6．無(wú)鉛焊料中含鉍者，固然可擁有熔點(diǎn)降低及價(jià)格便宜的好處，但其缺點(diǎn)除了會(huì )發(fā)生“鉍裂，之外，經(jīng)過(guò)熱震盪后還會(huì )發(fā)生粗大不良的冉結晶，以致焊點(diǎn)可靠度也為之不足。
四、表面貼裝元件(SMC)熔焊之浮裂與空洞
採用無(wú)鉛錫膏對SMC進(jìn)行熱風(fēng)或熱氮氣之熔焊(Ref1oWSo1dering)時(shí)，其焊點(diǎn)強度也不夠好，同樣也會(huì )發(fā)生類(lèi)似波焊之焊點(diǎn)浮裂情形(Fi11etLifting)。不過(guò)其失效原因與通孔環(huán)面之浮裂者并不完全相同，而是出自於板彎板翹所形成外力的進(jìn)裂(RuptureS)所致。當然含鉍無(wú)鉛焊料之固化過(guò)程中，鉍含量會(huì )往銅面遷移的惡行，已公認是固著(zhù)力不足無(wú)法抵賴(lài)的真正原因。再者SMC本身大小不同且又與板面相差很大，致使其等熱容量(ThermalCapaCity)也極為懸殊。凡溫差梯度愈大者，其焊點(diǎn)強度也愈必定糟糕，反之亦然。故採用無(wú)鉛焊接之SMT者，必須要設法降低板面與元件之間的溫差，才可舒緩焊點(diǎn)強度不足的苦惱。

圖7．此二圖為表面貼裝元件，其焊點(diǎn)強度與可靠度之破壞性檢測方法之示意圖。此種破壞性之式最常用於BGA式之球腳元件。
最常見(jiàn)【錫銀銅】無(wú)鉛焊料之比重為7．5，現行之錫鉛(63／37)比重為8．4。比重變輕了，使得液態(tài)時(shí)的表面張力也隨之增大，因而所形成的空洞也自然會(huì )多一些。但從X—Ray的檢查中，【錫銀銅】所出現的空洞仍比其他無(wú)鉛焊料還要少，這也是錫銀銅被眾所認同的優(yōu)點(diǎn)之一。
五、無(wú)鉛焊料容易造成板材的CAF問(wèn)題由於無(wú)鉛焊接之溫度已高出3?！?，且又因現行免洗助焊劑之活性不足，而不得不改用非揮發(fā)有機物之水溶性者(VOCFreewaterBaSed)，於是高。熱久留又加上活性較強的化學(xué)作用之下，其水火夾攻下很容易會(huì )使板材發(fā)生“玻纖紗陽(yáng)極性漏電”(CopnduCtiVeAnodiCFi1ament)的后續痛苦。此所謂CAF者系指電路板中電位不同的兩導體(即指已有偏壓存在)，若又被同一束玻纖紗所搭連者，在高溫高濕與偏壓惡劣環(huán)境所摧殘下，常會(huì )發(fā)生銅導體的腐蝕，進(jìn)而出現銅鹽由陽(yáng)極往陰極遷移而漏電之不良行為，即謂之CAF。日本業(yè)者提早採用無(wú)鉛焊接，因而在板材之CAF問(wèn)題上也最先受害，目前已悉數要求全用Anti啊CAF的板材了。

圖8．此為臺灣ISo]a公司所提供CAFGrowth(紅色部份)的示意圖與原文之內容說(shuō)明，對CAF發(fā)生經(jīng)過(guò)之瞭解頗有助益。不過(guò)目前臺灣基板業(yè)者所進(jìn)行之CAF試驗皆為日式規格，并非美式背板之高階規范，且工PC亦尚未具備完整之試驗方法。
解決辦法是避免使用強活性松香RoSin的水性F1uX，儘量降低焊溫。等，然而對於無(wú)鉛而言，這都將是遙不可及的虛幻目標。最好是還是改用Anti—CAF品質(zhì)良好的板材，以徹底解決無(wú)鉛的頭痛問(wèn)題。
無(wú)鉛焊接的板材中除了上述的CAF問(wèn)題外，板面上彼此相鄰兩導體之間，也另會(huì )發(fā)生銅鹽的遷移行為，而出現樹(shù)枝狀的生長(cháng)與蔓延，此即另一種惡名昭彰的DendSiteS。

圖9．當板面相鄰之兩導體，若處於高溫高濕及電解質(zhì)的環(huán)境中，且兩導體之間又存在著(zhù)電位差的偏壓(BiaS)時(shí)，則在板面上很可能會(huì )出現如樹(shù)枝狀的DendriteS，其破壞絕緣性的后患可想而知。
六、無(wú)鉛焊點(diǎn)表面粗糙，抗疲勞強度不足
一般無(wú)鉛焊料所形成的各種焊點(diǎn)較易氧化，不但外觀(guān)會(huì )呈現粒狀昏暗無(wú)光的形紋，而且晶粒粗大結構粗糙，抗疲勞性(FatigueLife)亦遠遜於Sn63／Pb37，其主要原因就是含錫量太高所致。有效的解困的辦法是焊接后加速焊點(diǎn)的冷卻，如此將可使結晶變細，外表也變的更為平滑光亮，。是故使用無(wú)鉛焊料的各式焊接機具，其焊后必須改採高速率之冶卻系統，以提升無(wú)鉛焊點(diǎn)鉛焊點(diǎn)的可靠度。

圖10．上二實(shí)像圖為95．5Sn／3．8Ag/0.7Cu之錫膏焊點(diǎn)，由於含錫量太高，不但外觀(guān)不亮而且表面也非常粗糙。下二圖為相同之無(wú)鉛式錫膏，但焊后冷卻速卒不同，導致晶大小也有所差異。
七、錫須問(wèn)題TinWhisker
（一）、壓縮性?xún)葢樯毜闹饕?br /> 由於各種無(wú)鉛焊料或某些無(wú)鉛表面處理層的含錫量都偏高，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間老化后即容易在密集線(xiàn)路之間發(fā)生“錫須”短路的困擾。1998年秋美國NASA曾發(fā)現軌道中的商業(yè)衛星，其某一Re1aY即出現過(guò)錫須的問(wèn)題。由經(jīng)驗可知，電鍍純錫的后續使用歲月中幾乎一定會(huì )生須，尤其是光澤性電鍍錫，幾乎是立竿見(jiàn)影絕無(wú)僥倖。妙的是只要加了鉛含量10％以上時(shí)，經(jīng)驗中即可防止此種致命的缺點(diǎn)。將來(lái)銅面上各種高錫量的無(wú)鉛焊料，想要避免錫須恐怕就不太容易了。
多位專(zhuān)家追究其根本原因時(shí)發(fā)現，幾乎可以確定廠(chǎng)應力，是生須的主要原因。一旦焊料或表面處理層中摻人有機雜質(zhì)而影響品格正常發(fā)展組成者，即將會(huì )存在壓縮性的內應力(ComPressiVeInnerStress)，且愈厚愈糟。錫須的發(fā)生其實(shí)就是一種“釋放應力”的行為，有時(shí)連綠漆底下或護形漆(ConformalCoating)覆蓋區也照長(cháng)錫須不誤。另一根本原因(RootCause)是當銅份滲入錫體形成Cu6Sn7的工MC之際，同時(shí)也造成純錫原子被排擠出去，於是就逐漸而形成錫須(見(jiàn)后圖34)。
表11．鍍錫層中有機雜質(zhì)與外來(lái)應力對生須長(cháng)度的影響

以光澤性電鍍錫為例，由于有機物參與鍍層甚多，早已成為生須的第一一要犯。至於半光澤的tinSn雖然生須的趨勢已大為減少，不過(guò)一旦遭受外來(lái)的壓縮應力時(shí)，則二者皆難逃厄運。

圖12．由左圖可知光澤錫鍍后5個(gè)月，即開(kāi)始快速生須，而緞面半光澤錫則未見(jiàn)生須。但由右圖得知幾遭到壓縮性的外應力后，兩者皆會(huì )生須。
（二）、加鍍底鎳與回火后不易生須
常見(jiàn)的錫須是一種單晶的成長(cháng)，直徑約1—5μm，長(cháng)度有時(shí)可達10mm，有時(shí)會(huì )生長(cháng)好幾年之久。只要在50℃與RH50％以上的加速老化環(huán)境者，就會(huì )長(cháng)須。業(yè)者也發(fā)現若銅面先鍍有底鎳(1．5μm以上)層時(shí)，則絕大部分錫須問(wèn)題可迎刃而解。原因是鍍錫層本身結晶片會(huì )呈現“伸張性應力”(TenSiStresS)，并又阻擋廠(chǎng)劍司份往錫體中的遷栘，于是就不再發(fā)生錫須。然而最近Motoro1a與Ship1ey又發(fā)現即使有了底鎳鍍層，仍然還會(huì )生須，只是時(shí)間忍耐較久而已。

圖13。左圖為電鍍錫鉛之處理再經(jīng)錫銀銅(3.8Ag／0.7Cu)之錫膏熔焊，之后又再經(jīng)一55℃一85℃之500次溫度循環(huán)后，所出現的錫須情形。右圖為Cu6Sn5之IMC擠向面錫層而出現錫須的初步。此二圖均為Motor0la在ECWC2003所發(fā)表者。
近來(lái)著(zhù)名通訊大廠(chǎng)LuCent研究者們發(fā)現，Cu6Sn5，的工MC層會(huì )有一種往面錫層擠靠的趨勢，因而容易迫使純錫層生須(見(jiàn)圖18)，但鎳面的Ni3Sn4的IMC層，卻呈現往底鎳層進(jìn)逼的行為，因而較不易生須，然而老化過(guò)久者還是無(wú)阻止生須。
有時(shí)TinWhiSkers會(huì )出現各種不同的形狀，如Filament，Nodu1e，C0lumn，Need1e，或Mou11d(丘狀)等，嚴重時(shí)將會(huì )造成短路的問(wèn)題。通常電鍍光亮錫時(shí)(硫酸亞錫)，最容易發(fā)生錫須而且還會(huì )不斷生長(cháng)，至於霧面錫(Matte7in，或稱(chēng)SatinBright緞面錫)之結晶較為粗大及穩定，而厚度又不超過(guò)10μm時(shí)，其發(fā)生的機會(huì )將大為減少，也較易達成平衡而不至繼續生長(cháng)。目前解決方案還不多，可將完工的鍍錫層另在170℃高溫中回火(Annealing)1小時(shí)，多半可使癥狀消除。不過(guò)此法卻也會(huì )使IMC長(cháng)的更快，其實(shí)也并非良好的對策。

圖14.左二圖說(shuō)明當晶粒的尺碼(GrainSize)介於2—5微末之間時(shí)，則結構較穩定生須現象較少。但當右圖中之粒度縮小到l／Jm以下時(shí)，其結構中之內應力將開(kāi)始累計，而使得生須的潛力人為增加。此種內應力的彼此擠壓下，會(huì )出現再結晶的效應，進(jìn)而逐漸發(fā)生錫須。

圖15.左二圖為光亮鍍錫之生須，未受外應力者四個(gè)月可長(cháng)到245μm，受到外來(lái)壓縮應力者四個(gè)月竟長(cháng)到312μm多。右二圖為霧面鍍錫之生須，未受外力者兩個(gè)月長(cháng)到7μm，受到拉伸應力(TensileStress)者兩個(gè)月后亦長(cháng)列12μm，以上皆~LucentTech~的研究。

圖16．電鍍錫過(guò)程中其錫原子沉積的表面，若已呈現螺旋型的差排(SCrewDisl。Cati。n)者，於是新登陸的錫原子就只能按差排線(xiàn)的方向著(zhù)落在有缺陷的結晶格子上，此種潛在性的內應力，就成錫須的主因了。
（三）、愈厚愈老化愈生須
純錫鍍層愈厚時(shí)，有機物雜質(zhì)愈多，內在壓縮應力愈大，當
然就愈容易生須。產(chǎn)生Cu6Sn7不均勻性的IMC層，且又出現往面錫層推進(jìn)的現象者，當然一定定會(huì )生須。不過(guò)若面錫表層已累積了氧化錫層時(shí)，幾可阻止錫須的冒出。然而一旦尚存在純錫的破綻處，則一定會(huì )自該處破土而出?。ㄒ?jiàn)圖18）

圖17.此為電鍍純錫其現場(chǎng)立即監測內應力所得之結果，明顯可看到當光澤錫的厚度愈厚時(shí)，其壓縮應力(即內應力)也愈大。至於緞面半光澤錫雖在電鍍的當時(shí)未見(jiàn)內應力，但老化后仍難逃厄運。

圖18.銅面直接鍍純錫時(shí)，老化中將會(huì )產(chǎn)生Cu6Sn5的IMC,此IMC層會(huì )往面錫層產(chǎn)生一種擠靠的作用，進(jìn)而逼迫純錫層擠出錫須。且只會(huì )從表面無(wú)Sn。薄膜的缺口處不斷長(cháng)出。
為了預測純錫層是否會(huì )生須的問(wèn)題，歐美日三方業(yè)者正在研究可能模擬仿真的方法，如高溫的加速老化，或溫度循環(huán)試驗等。至于自然老化，則目前尚未訂定出最適宜的對比做法與允收標準，
統計文獻中各種之事實(shí)發(fā)現與原因追究，可將錫須生長(cháng)的機理整理如下，以供讀者參考：
◆鍍錫層本身出現內應力亦即殘余應力者，將造成原子間彼此排擠壓迫，進(jìn)而持續性的推出一個(gè)單晶，以減除所存在的壓力。通常光亮鍍錫要比霧狀鍍錫更易生須
◆甚至外來(lái)機械應力，尤其是壓縮性應力，也會(huì )造成錫須。
◆銅面直接鍍錫者，當界面形成Cu6Sn5的IMC之際，將對面錫造成壓力，也會(huì )將錫須不斷的擠出去。而且IMC的形成越不均勻越為老化時(shí)，則越容易生須。
至于其他原因仍尚待繼續研究
八、結論
無(wú)鉛焊料不但要來(lái)而且還會(huì )來(lái)的很快，在“客戶(hù)永遠是對的(CuStomer is a1ways right!)生意原則之下；出錢(qián)者老大的態(tài)勢，再加上歐美客戶(hù)先天優(yōu)越的心理因素；關(guān)鍵時(shí)刻黃皮膚的代工者，想據理力爭爭挽回頹勢，其成功機會(huì )豈非緣木求魚(yú)面杖吹火呼？
好在一般讀書(shū)不多的歐美洋客，只是在英文表達方面確實(shí)高於無(wú)鉛焊接之全新製程，不但基本知識涉及甚少，深入技術(shù)原理不懂，實(shí)務(wù)經(jīng)驗方面當然更是不知所云。然而其於拒收時(shí)高姿態(tài)的嘴臉，與其膚淺固執之認定，確實(shí)今人難以消受。飽經(jīng)洋氣之餘還須小心服侍，希望能在高抬貴手下順利出貨換回銀子。此時(shí)，除了機智、禮貌外，業(yè)者對於焊接基本原理的學(xué)習，對於無(wú)鉛焊接整體的熟念，對于前人已獲得各種寶貴經(jīng)驗的借鏡，在在都必須要及時(shí)努力與認真掌握，以Knowledge is Power的態(tài)度來(lái)迎接無(wú)鉛焊接！