筆者曾在前期，首先以銲點(diǎn)空洞、銲環(huán)浮裂，與引腳錫須等三大缺失，說(shuō)明無(wú)鉛焊接比現行之有鉛焊接，存在著(zhù)更多更惡劣的不良品質(zhì)。事實(shí)上還有更多的隱憂(yōu)，致令無(wú)鉛焊接之可靠度不免為之大打折扣。此等種種負面品質(zhì)的呈現，尚待業(yè)界與供應商們爭取時(shí)效加緊努力，試圖解決某些痛苦以及某些已知與未知的難題，否則必將會(huì )在上下游與周邊等各種供需之間，造成無(wú)窮的糾紛與無(wú)盡的困擾。
       一、主流銲料的形成
       無(wú)鉛焊料目前已敲定“錫銀銅”之SAC305(S n 9 6.5％、A g 3.0％、C u 0.5％)或SAC405(S n 9 5.5％、A g 4.0％、C u 0.5％)等標稱(chēng)(N O m i n a 1)重量比之合金為主流，業(yè)界已做大量的多樣性試驗，建立了量產(chǎn)可用的溫時(shí)線(xiàn)與多種失效模式的范例與共識，且也獲取了若干實(shí)務(wù)信心。上下游幾乎不可能再去花費更多的精力與時(shí)間，對于其他合金銲料另行大幅研究。日本業(yè)者常用熔點(diǎn)較低的“錫鋅鉍”合金(S n 8 9％、Z n 8.0％、B i 3.0％)，或其他含銻(S b)含銬(G e)或含鎳(N i)的各種銲料；事實(shí)上歐美下游的各大O E M客戶(hù)們很少予以認同，一旦出了問(wèn)題，只好在缺乏公正仲裁下自謀解困之道了。https://www.nodsmt.com
此為無(wú)鉛SAC與有鉛Sn63兩種熔焊(Relow)溫時(shí)曲線(xiàn)(PrOnle)的比較情形

       圖1、此為無(wú)鉛SAC與有鉛Sn63兩種熔焊(Relow)溫時(shí)曲線(xiàn)(PrOnle)的比較情形。
       主流之兩種錫銀銅焊料中又以SAC305略占上風(fēng)，原因之一是少了1%的銀份其成本自然較便宜，其二是銲點(diǎn)中長(cháng)條狀A g3S n的不良IMC也為之減少。目前之S A C 3 O 5合金配方專(zhuān)利，系日本千住金屬與美國愛(ài)荷華大學(xué)所共同擁有，凡採用之各國銲料供應商皆須付給專(zhuān)利費用。
       至于波焊，waVeSolderin g，與PCB的噴錫制程，雖然也能採用SAC305，但為節省成本起見(jiàn)，亦可採用較便宜的錫銅合金（Sn99.3％ by w t，C u 0.7％b y w t)，但其熔點(diǎn)卻比SAC305高出l 0℃而達227℃。更因此料之沾錫時(shí)間要比S n 6 3／P b 3 7者長(cháng)了很多，故其峰溫2 6 5-2 7 0℃中之停留時(shí)間，也需自原本有鉛的3—4秒延長(cháng)到4—5秒。
且當波焊或噴錫其錫池中的銅量增多0.2％by wt時(shí)，其液化溫度還將再上個(gè)升6℃，對于板材與零件的傷害都會(huì )增大。此等傷害對于面積較大厚度較厚的大板面，更是雪上加霜災難連連，經(jīng)常會(huì )造成分層爆板的悲慘下場(chǎng)。一旦大型空板曾經(jīng)過(guò)噴錫270℃，強大熱應力折磨者，4-7秒，，其后續之汲焊更難。從成本與品質(zhì)而言，是否選用2 2 7，C的錫銅合金進(jìn)行噴錫與波焊，的確值得三思。
       二、介面微洞
       （一）、介面微洞的位置
       當銲料(So1der)在P C B銲墊(P a d s)基地上形成銲點(diǎn)(So1der Poi nt)之瞬間，該銲墊基地(指銅與鎳而言)與銲點(diǎn)主體銲料之間，經(jīng)常會(huì )發(fā)生許多微小空洞。此種處于介面而直徑小于40μm的微洞，事實(shí)上多半在于銅與錫之間，而與IMC所交錯并存。發(fā)生微洞處自然無(wú)法生成IM C，其結合強度也必定付之闕如。
左為介面微洞的切片側視圖，右為Dage品牌高解度X—ray所看到之俯視圖

       圖2、左為介面微洞的切片側視圖，右為Dage品牌高解度X—ray所看到之俯視圖。
       （二）、介面微洞的后患
       此種介面之微洞，與遠離介面而發(fā)生于銲點(diǎn)中的空洞，其等成因并不完全相同。但對銲點(diǎn)結合強度而言，數量頗多的介面微洞反而更具殺傷力。此等區別可從高品質(zhì)的微切片畫(huà)面上得以辦識，或從高功率高解析度的X—r ay檢驗設備中清楚加以判斷。一旦發(fā)生銲點(diǎn)強度問(wèn)題，所有證據將無(wú)所遁形。
介面形成之空洞有大有小，超過(guò)40μm的介面大洞對銲點(diǎn)強度的破壞力極大

       圖3、介面形成之空洞有大有小，超過(guò)40μm的介面大洞對銲點(diǎn)強度的破壞力極大。
       （三）、介面微洞的主因
       PCB焊墊表面之實(shí)用可焊處理有：噴錫、浸銀、浸錫、OSP以及ENIG。前四者均以銅為IMC基地，而化鎳浸金則以化學(xué)鎳為焊接基地形成Ni3Sn4事實(shí)上對高密度SMT焊接而言，噴錫製程已經(jīng)尋E常不適用了。而其他四種表面處理層中均將會(huì )出現有機物的參與，高溫中裂解成氣而未能及時(shí)逸走時(shí)，當然就只好留在原地形成微洞了。事實(shí)上工曲S n、I-A g、O S P等皮膜與ENIG的金層等，只扮演底銅與底鎳的保護皮膜使不致于氧化而拒焊，其本身并未參與焊接(I-S n除外)的反應。故知其厚度愈薄者有機物將愈少，所發(fā)生介面微洞的機會(huì )就愈小了，不過(guò)皮膜太薄者又無(wú)法達到護焊的功用。
       造成介面微洞的緣由，除了表面處理層本身難辭其咎外，另外助焊劑配方，焊溫焊時(shí)(Profile)，墊面清潔、錫膏吸水、以及銲墊設計形式等，都將是介面微洞的肇因。目前為了降低組裝高度，節省成本，某些原先QF P(Quad  F1at Package)的伸腳Gu11 wing或勾腳了J-1 e a d等，部份產(chǎn)品將予以取消，而將元件腹底外圍直接設計上方墊，P C B板面也對應加設承墊，直接用錫膏進(jìn)行面對面的貼焊，特稱(chēng)之為Quad F1at NO-1ead(Q FN)。此種全新亮相Q FN銲點(diǎn)中原已發(fā)生頗多的空洞，無(wú)鉛焊接將更是加火上澆油品質(zhì)蕩然。且元件腹底方墊其切割側面的純錫鍍層，彼此比鄰的錫須生長(cháng)又將是另一番心腹之痛。
左為BGA球腳銲點(diǎn)申的空洞；右為QFN全扁銲點(diǎn)中的空洞。但其中央承接封裝體之較大方墊者，系導熱膏接著(zhù)之不均情形

       圖4、左為BGA球腳銲點(diǎn)申的空洞；右為QFN全扁銲點(diǎn)中的空洞。但其中央承接封裝體之較大方墊者，系導熱膏接著(zhù)之不均情形。
       （四）、介面微洞的假說(shuō)
       由于各式銲點(diǎn)空洞的成因太多(其中有鉛與無(wú)鉛混料者空洞更多)，要仔細分辨出介面微洞又不是很容易，麥特公司的DOnaldCu11en先生曾在2005年2月于ECWC的論文(S26—2)中，提出兩種主要假說(shuō)：
       1．銅面遭到污染，如綠漆的微量殘渣等。
       2．銅面過(guò)度粗糙或其他污染，或水氣附著(zhù)等。
       該文并深入探討而列出2 7種可能的原因，錯綜複雜實(shí)在讓人眼花瞭亂不知所從。不過(guò)該論文中已對I-A g做了較清楚的說(shuō)明，認為皮膜中的有機物含量約為0.5％一0.2％by wt，主要來(lái)自槽液中的細晶劑，抗變色劑，以及所設定Pofi1e峰溫低了2 0℃而可能形成的冶焊(Cold Soldering)，此種冶焊也會(huì )帶來(lái)極多的介面微洞。當然銀層太厚有機物太多還是首要原因。
介面空洞所造球腳銲點(diǎn)斷頭的微切片與X-ray透視兩圖之比較

       圖5、介面空洞所造球腳銲點(diǎn)斷頭的微切片與X-ray透視兩圖之比較，
       （五）、另一種Kirkendall  Voids
       銅基地接受高熱焊接的瞬間，當其銅份對液錫的溶入 (Disso1ution)速率不均時(shí)，則在所長(cháng)出的Cu6Sn5IMC與底銅之間，會(huì )形成另一種讓附近原子來(lái)不及移動(dòng)替補(Disp1acement)而形成的微洞，稱(chēng)之為K洞。通常當焊后的板子又不斷受到高溫衝擊時(shí)，此等K洞還會(huì )逐漸變多變大，也將帶來(lái)銲點(diǎn)強度不足的麻煩。目前有關(guān)此種K洞的研究尚不普及。
此為無(wú)鉛焊接又經(jīng)高溫老化后，從SEM晝面所見(jiàn)到的K洞，可清楚辨識是存在于底銅與長(cháng)厚的IMC之間

       圖6、此為無(wú)鉛焊接又經(jīng)高溫老化后，從SEM晝面所見(jiàn)到的K洞，可清楚辨識是存在于底銅與長(cháng)厚的IMC之間。
       關(guān)于介面微洞的研究還有很多，隨著(zhù)全面無(wú)鉛的腳步愈來(lái)愈近，筆者只能根據已公開(kāi)發(fā)表的最新論文與自身實(shí)務(wù)經(jīng)驗，整理出一些脈絡(luò )以供參考，尚盼能減少若干災情于事先，則于愿已足矣。