前面一篇介紹了電路板無鉛焊接中任意出現(xiàn)的焊點(diǎn)空洞，本文將介紹電路板無鉛焊接中的另外兩種隱憂：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(yīng)力，而此應(yīng)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(duì)于無鉛製程之實(shí)戰(zhàn)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(xù)老化過程中一定會(huì)生須，而且還都是危險(xiǎn)的長(zhǎng)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(yán)重。從多量的焊點(diǎn)切片看來，無鉛焊接在空洞方面，的確要比目前的有鉛焊接要來得嚴(yán)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。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(duì)此二項(xiàng)與焊接有關(guān)的缺點(diǎn)加以探討，期能在排解困難與預(yù)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(jié)晶，對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度亦將形成負(fù)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(jié)晶，對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度亦將形成負(fù)面影響。
一、焊環(huán)浮裂
無鉛波焊(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(yīng)，其隨后的固化過程中，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(xiàn)將其可能成因說明如下：

圖2、此二圖均為無鉛波焊后經(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(dāng)進(jìn)行無鉛焊接時(shí)，在焊料、零件腳、與焊墊等三種參與成員中，都必須要達(dá)到全部無鉛才行。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(jié)合處的不牢，進(jìn)而發(fā)生固化后容易開裂的“鉛污染”負(fù)面效應(yīng)。此乃由于無鉛焊點(diǎn) 。中一旦出現(xiàn)少許的鉛份，則焊接反應(yīng)的錫銅I M C產(chǎn)生過程中，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，以致無法形成強(qiáng)力的焊點(diǎn)。
此二圖均為無鉛波焊后經(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(xiàn)的“鉍裂”(B i s m u t h S e g r e g a t i o n)在機(jī)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。
其次由于無鉛焊接的高溫與長(zhǎng)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(xiàn)象，很容易在切片上看到。I M C太厚了其結(jié)合強(qiáng)度與后續(xù)使用壽命當(dāng)然也隨之減少。
（二）、銅環(huán)浮離(Pad Lifting)
當(dāng)焊環(huán)寬度變窄與板厚增大時(shí)，其焊后冶卻收縮的過程中，會(huì)見到焊料在XY方面的熱脹系數(shù)(CTE)超過板材，而板材卻又在Z方向的CTE大于焊料；兩種惡勢(shì)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(qiáng)大熱應(yīng)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。
左圖說明電阻器本體，焊點(diǎn)，銅墊，板材等四者熱脹系數(shù)CTE的差異， 在高低溫老化過程中難免不會(huì)發(fā)生銅墊的浮裂。右為在對(duì)熱應(yīng)力試驗(yàn)后所允收的孔環(huán)浮離。

圖5、左圖說明電阻器本體，焊點(diǎn)，銅墊，板材等四者熱脹系數(shù)CTE的差異， 在高低溫老化過程中難免不會(huì)發(fā)生銅墊的浮裂。右為在對(duì)熱應(yīng)力試驗(yàn)后所允收的孔環(huán)浮離。
無鉛焊接過程中的熱量(溫度×?xí)r間)大增與熱應(yīng)力劇揚(yáng)下，難免不會(huì)發(fā)生孔環(huán)之浮離。此種銅環(huán)浮離的現(xiàn)象一般在波焊的焊接面，都要比非波焊的零件面要來得更嚴(yán)重。不過話又說回來了，這當(dāng)然還要與銅箔在板面上的附著力有著最直接的關(guān)系。提升環(huán)氧樹脂的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多次焊接，此種浮環(huán)現(xiàn)象還是難以全免，幸好對(duì)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，前文填錫之浮起或此處焊環(huán)之浮離，均可採(cǎi)用【綠漆上墊設(shè)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)者即常在無鉛焊接中使用此種技巧。事實(shí)上現(xiàn)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(xiàn)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(xù)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。
左爲(wèi)綠漆與銅環(huán)之間留有空距的一般設(shè)計(jì)法，右圖爲(wèi)綠漆爬上銅環(huán)外S／M On Pad的設(shè)計(jì)法，但施工卻不容易

圖6、左爲(wèi)綠漆與銅環(huán)之間留有空距的一般設(shè)計(jì)法，右圖爲(wèi)綠漆爬上銅環(huán)外S／M On Pad的設(shè)計(jì)法，但施工卻不容易。
左爲(wèi)63/37錫球之細(xì)膩結(jié)晶微觀；右爲(wèi)無鉛SAC405錫球之粗糙結(jié)晶畫面。

圖7、左爲(wèi)63/37錫球之細(xì)膩結(jié)晶微觀；右爲(wèi)無鉛SAC405錫球之粗糙結(jié)晶畫面。
（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(xiàn)對(duì)強(qiáng)度不利的漿態(tài)(P a S ty Ran g e)。此種危險(xiǎn)的時(shí)段中，一旦輸送中又發(fā)生震動(dòng)時(shí)，其焊點(diǎn)結(jié)晶組織中就會(huì)存在微裂，其外表也經(jīng)常呈現(xiàn)結(jié)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(xù)劣化而變成巨裂。無鉛焊料S A C的三元合金，連原始配方都很難達(dá)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(dāng)然就難上加難了。
此六圖均爲(wèi)無鉛焊料，經(jīng)過高低溫加速老化后出現(xiàn)的破裂情形；既然難以達(dá)共溶組成，而無法免除聚態(tài)的缺憾，則只好讓生產(chǎn)線儘量減少震動(dòng)，而避免未固化前軟弱漿態(tài)中的微裂。

圖8、此六圖均爲(wèi)無鉛焊料，經(jīng)過高低溫加速老化后出現(xiàn)的破裂情形；既然難以達(dá)共溶組成，而無法免除聚態(tài)的缺憾，則只好讓生產(chǎn)線儘量減少震動(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(zhǎng)須，此種異常現(xiàn)象早在1940年代即已出現(xiàn)在文獻(xiàn)中。后來197 0年間美國(guó)太空總署(NA S A)某人造衛(wèi)星中之關(guān)鍵元件，發(fā)生因錫須而失效的嚴(yán)重災(zāi)情時(shí)，才引起世人對(duì)錫須的認(rèn)知。其實(shí)不只是電鍍純錫層會(huì)冒出很長(zhǎng)的錫須(2 50μm以上)，連高錫量的無鉛焊料(含S n 9 5％以上)，也會(huì)長(zhǎng)出不太危險(xiǎn)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。
且由于無鉛焊料沾錫時(shí)間(wetting Time)較長(zhǎng)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。且無鉛焊點(diǎn)也因加速冷卻下經(jīng)常出現(xiàn)撕裂，下二圖即為典型的實(shí)例。
左爲(wèi)無鉛焊接之墊面外緣露銅，右爲(wèi)無鉛焊焊點(diǎn)被拉裂之俯視外觀。

圖9、左爲(wèi)無鉛焊接之墊面外緣露銅，右爲(wèi)無鉛焊焊點(diǎn)被拉裂之俯視外觀。
說明不同錫須之生長(zhǎng)情形

圖10、說明不同錫須之生長(zhǎng)情形
（一）、錫須的成因    。
1、鍍錫層之內(nèi)應(yīng)力
不管是光亮錫或霧狀錫之鍍層，無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(zhǎng)出錫須。最主要的原因就是參與共鍍的有機(jī)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(jié)如出一轍。然則一旦鍍液中不添加任何有機(jī)光澤劑時(shí)，則只能形成粉狀或須狀等無用的鍍錫層。有機(jī)物參與愈多鍍層愈厚者，其生須也愈快愈長(zhǎng)。此外，結(jié)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(wěn)定。某些曰商曾發(fā)現(xiàn)錫層底部之電鍍銅層，其生須要比壓延底銅來的快，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。
左為無添加劑電鍍錫層之原子排列示意圖，右為有機(jī)物參加后的擠入情形，亦即內(nèi)應(yīng)力之來源。

圖11、左為無添加劑電鍍錫層之原子排列示意圖，右為有機(jī)物參加后的擠入情形，亦即內(nèi)應(yīng)力之來源。
此四種錫須圖是出自美國(guó)另一著名學(xué)術(shù)團(tuán)體NIST之網(wǎng)站

圖12、此四種錫須圖是出自美國(guó)另一著名學(xué)術(shù)團(tuán)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(duì)生長(zhǎng)須提供了另一股惡勢(shì)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(zhǎng)，事后卻發(fā)現(xiàn)只能減緩而無法阻止。
銅面電鍍純錫，又經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間或高溫老化后，所產(chǎn)生六銅五錫的IMC，也會(huì)對(duì)純錫層發(fā)出推擠的惡勢(shì)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(zhǎng)時(shí)間或高溫老化后，所產(chǎn)生六銅五錫的IMC，也會(huì)對(duì)純錫層發(fā)出推擠的惡勢(shì)力，并自其氧化層破洞處冒出錫須。
3、鍍錫層受到外應(yīng)力
鍍過純錫的零件腳又經(jīng)彎腳成型后，其內(nèi)緣會(huì)發(fā)生壓縮性之外應(yīng)力 (Compressive Stress)，再搭配原本就存在的內(nèi)應(yīng)力，錫須當(dāng)然就會(huì)長(zhǎng)得又快有長(zhǎng)了。而且NASA的研究者還發(fā)現(xiàn)，所長(zhǎng)出的錫須還會(huì)受到電場(chǎng)電位的影響而轉(zhuǎn)彎，使得危險(xiǎn)性又再度增高。
左爲(wèi)引腳彎折成形時(shí)，所發(fā)生壓縮性與伸張性外應(yīng)力的說明，右爲(wèi)壓縮外應(yīng)力之位置經(jīng)60℃/93%RH五周后所引發(fā)的錫須。

圖14、左爲(wèi)引腳彎折成形時(shí)，所發(fā)生壓縮性與伸張性外應(yīng)力的說明，右爲(wèi)壓縮外應(yīng)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(shù)CTE的不銅而引發(fā)
當(dāng)元件底材與鍍錫層的C T E不同時(shí)，其后續(xù)熱漲冷縮的熱應(yīng)力參與中，也會(huì)加速生須，此事實(shí)早已經(jīng)過多種溫度循環(huán)試驗(yàn)得到明証。至于只在高溫放置卻也會(huì)加速長(zhǎng)出者，其原因當(dāng)然是高溫提供了生須的能量，而較低溫者來得更快。
（二）、錫須的試驗(yàn)及允收    。
錫須的檢測(cè)方法與允收規(guī)格，目前公認(rèn)者尚未出爐，想必將來會(huì)在IP與NEM I廠，應(yīng)可訂定出業(yè)界眾所公認(rèn)的檢驗(yàn)方法與允收規(guī)范。下列各種試驗(yàn)法與規(guī)格只是某些業(yè)者所曾試用過的參考資料，目前尚未取得共識(shí)：
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(guī)格：
目前尚無出現(xiàn)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(rèn)之錫須允收規(guī)格尚在研究中，某些業(yè)者暫定的規(guī)格是，所長(zhǎng)出的錫須不可超過50μm。
左為錫須受到電場(chǎng)而轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象，右為兩隻鍍錫引腳，在空中因生長(zhǎng)錫須而短路的真相。

圖15、左為錫須受到電場(chǎng)而轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象，右為兩隻鍍錫引腳，在空中因生長(zhǎng)錫須而短路的真相。
三、結(jié)語(yǔ)
無鉛焊接在政治壓力與商業(yè)利益交織下，目前已成為SMT貼片加工廠家勢(shì)不可擋必將到來到業(yè)界的大革命。所有生產(chǎn)P C B之廠商與P C B A之組裝業(yè)者，都將會(huì)蒙受極大的災(zāi)難。而此二業(yè)界也多半集中在亞洲，臺(tái)灣與中國(guó)大陸尤其是首當(dāng)其衝。屆時(shí)無窮的煩惱必將傷透無盡的腦筋，最好還是先做好心理的準(zhǔn)備，以儘量減少可能的傷害。