减少无铅组装中铜溶解的实践指南

作者: 英国，伦敦，国家物理实验室：D. Di Maio, C. P. Hunt, B. Willis

      什么是铜溶解？铜溶解并不是一个新现象，它总是发生在被焊接的清洁的铜表面上。如果铜不在某种程度上发生溶解，就不会产生可靠连接。

      焊料与铜在界面处通过溶解过程形成金属间化合物，这就是焊料和铜之间的粘合焊接。金属间化合物本身是溶于焊料的，因此铜溶解过程有两个阶段，先是铜形成金属间化合物，然后金属间化合物溶于焊料。改变金属间化合物组成和形态的因素，将取决于焊料的组成、铜以及铜的微观结构，还有焊接过程、热传递和焊料流动机理。因此，铜溶解取决于很多因素。图1给出了元件引脚在通孔中的典型通孔焊点。

      GSP_UK_150418A讨论无铅环境下的铜溶解，是指过多的铜损失；10 μm及以上即被业界认为是过度损失，并受到关注。铜丝在三种共晶焊料中表现出不同的溶解速率的实验结果如图2所示。这些数据清楚地证实，这些简单的无铅合金表现出相对高的溶解率。目前商业化的合金能够实现比图2显示的更低的溶解率，实现了与SnPb相当或更好的溶解率，参看NPL报告MAT26：

      无铅焊料合金中铜溶解的测量。在合金中添加很少量的关键元素已被证明能够提高铜的抗溶解性，最值得关注的是Ni，也有添加Co及其他元素的案例。这一改进的机理仍然是研究课题。一般认为，即使铜表面暴露在添加了这些元素的改性合金中，其金属间化合物也是稳定的。因此，在PCB热风整平涂饰过程中，在合金中添加Ni，可以减小随后加工过程中的铜腐蚀，与后来使用的焊料合金无关。

      铜溶解进入焊料也取决于铜在焊料中的溶解度，随着更多的铜溶解进入焊料，铜溶解率也将会变化。因此，随着加工处理的基板数量增加，铜向焊料中的溶解将减少，直到达到溶解极限。

给用户带来什么影响？

      过多的铜溶解会导致铜印制线或通孔电镀铜的间歇性电气连通或断路；在严重情况下，这会降低可靠性。迄今为止，业界经历的发生铜过度损失的大多数情况，在检测期间是非常明显的；然而，其他不明显的情况毫无疑问也会发生，只是没有注意。

如何确定PCB规范？

      业界现有的印制板规范涵盖了镀通孔和双面板的电镀铜、原铜厚度。IEC、IPC文件中都有，但还需辅以客户特定文件的补充。普遍地无铅合金的铜溶解还没有编入。

目前镀通孔中最小铜厚20 μm，小过孔或盲孔中18 μm。表面印制线或镀通孔受焊接过程的影响最大，标准组装中过孔受到的影响可能会小点。

      好的做法是独立检查PCB的铜厚度，例如使用显微剖切法。微观金相结构是很重要的，这可以通过一个合适的蚀刻切片进行检查。

      如果要在规定的最小厚度上增加铜厚，就需要与供应商讨论并达成协议。行业经验表明，铜厚度不是唯一的电路板相关问题，如果印制电路板是由不同的供应商提供的，工程师们还需要讨论所使用的铜的类型。

     不同的焊料涂饰，如无铅焊料热风整平、锡银铜有机可焊性保护层（OSP），铜溶解也是不同的。在镍金板情况下，不应该有铜溶解，因为焊接过程中，焊料和镍层之间形成焊点，而不是和铜之间形成焊点。与铜相比，镍在焊料中具有较慢的溶解率。

      铜在PCB上至少有三种不同的形式，电镀、转向电镀和电解沉积。不同类型的铜有不同的溶解率。NPL的研究表明，电镀铜溶解率最高，其次是转向电镀铜。电解沉积铜的溶解率最低。

      使用无铅合金焊料进行热风整平的基板，在热风整平期间，就已经发生了一些铜损失。PCB制造过程中，基板制造工艺、材料和任何潜在的返工都应与供应商讨论。