电路板无铅波焊常见缺点
一、选择性波焊
当电路板底面只有很少区域需要锡波焊接，但又欲节省昂贵载具(Pallets)之花费者，虽可改用锡丝(SOlder Wire)与烙铁(Solder Iron)的手焊，但由于手焊品质不易掌握；如应力增大、死角难以进入、热量不足，或焊点较多人工成本太局等；甚至双面均需插孔波焊者，则局部性锡波之选焊法仍有其必要性。因而国外供应商们乃开发出十分特殊的选焊机器，在机械手(Robots)及输送带(Conveyor)的配合下，可对板子底面进行定点或定区之浸焊(Dip)或定点之拖焊(Dray)，甚至手动式局部板面的涌焊等，现分述于后。
（一）、局部板面涌焊(Flood)
此类设备较简单，只需用到一个大锡池(例如5 0 c m×6 0 c m)，池面加装一个不锈钢有开口的大盖子(Plate)，大盖中央开口待焊区另外套装一个可更换有围牆的小套盖，围牆内则为熔锡的全池面或选择性池面。将已涂佈助焊剂及预热的板子，利用手动方式使平躺并固定在围牆上，然后踩下脚键使中央锡面向上升涌起来，于是将朝下的局部焊点在6—10秒内予以焊牢。此种简单涌焊法可变化的方式颇多，在许多单双板界甚爲常见，不过其共同的缺点是近距者容易短路。
图1、左爲大锡池表面所放置有开口及矮围牆的大型盖口板，右爲从开口板上涌锡浸焊的示意图。
（二）、定点浸焊(DiP)
少量熔锡从定点“涌嘴”溢出形成圆弧状表面，再用程式将板子移动到定位，并令其接触到定点锡面即可沾锡焊牢。在机械手与输送带以及软体程式配合下，可进行助焊剂涂佈、预热，以及触焊等连续流程。此法可实施单点浸焊，也可直线移动板子而进行多点的拖焊。不过自动化流程不但昂贵且十分缓慢，为了保証足够的热量起见，其锡温亦须设定在3 00℃以上以避免冷焊。如此将会使不锈钢的铁份，更容易被高锡量銲料与长期强热所腐蚀。下图说明单点浸焊的机条组，及单点助焊剂喷涂机与喷点之分佈情形。
图2、右下图爲大型连接器需进孔插焊之纵横多脚，其馀二图系考虑密集多点
图3、左图及中图均爲定点浸焊专用的出口板及涌锡图，右爲孔内插脚之涌焊进孔切片图，
由于涌焊的时间比波焊稍长，故平均品质也将较好。
此种选择性浸焊法，亦可在大锡池上加装涌锡专用的出口板，而能进行长条式多样化的涌锡浸焊。甚至可改用多格栅口涌锡之不鏽钢治具，进行多点密距之浸焊以减少彼此间的短路。
（三）、移动拖焊(Drag)
利用机械手将板子精确的放置在直径6mm的单嘴锡波(Fountain)之上方，再以某种速度将板子沿銲点轨迹移动，使局部小区之前后焊点得以逐一焊牢者称为拖焊。此种做法可省掉专用Nozz1e Plate的费用，但程式自动化之作业不但配套昂贵且亦非常耗时，对付少量高单价的板类尚可，因应低单价量产者则只好割爱。
图4、左爲小型出口的单点浸焊装置，右爲PCB在机械手臂驱动下，
将连续待銲点跨距1吋〈20脚之连接器）拖过单点锡波而焊妥的近观。
二、无铅波焊经常出现的缺点
无铅波焊銲点之某些缺失，根本是出自其物理本性，在无法避免之下业界也只好视之为正常。因而国际通用规范IPC—A一610D，已将某些缺失纳入于允收之列，与先前有铅焊接者已经不同，读者不可不知。此外无铅波焊所发生的品质问题，与无铅回焊者又不尽相同，必须深入透析其机理，方不致张冠李戴混为一谈。若某些波焊异常现象只是出自操作与管理不当者，则仍将被认定为品质上的缺点，现举例说明如下：
（一）、插脚填锡出现銲点裂口
由于美、曰业界早巳认定SAC为波焊的主流銲料，并经长期研究而在众多可靠度的数据支持下，几乎已成为最佳的选择。事实上SAC不但较贵、可焊性欠佳、容易自PCB上咬铜，而且还会出现粗糙不亮与收缩裂口。不过只要裂口不致穿透到底者（指引脚表面或板上垫面），IPC-A-610D认定其品质无碍可以允收。若将銲料改爲较便宜的时，则表面反而更爲平滑，其开裂的发生也大爲减少。
图5、左爲SAC波焊面引脚焊点之俯视画面，其颗粒状粗糙外表与收口裂缝均清晰可见。
其馀二图爲其切片之暗视放大情形。
（二）、銲点浮离(Fillet Lifting)
由于无铅波焊(SAC或SCN)之热量大增，造成板材的Z膨胀(55—60ppm／℃) 与銲料本身热胀系数 (CTE) 之间，发生很大的落差或失配 (MiSmat Chment)，以致在强胀后的快速冷却收缩中，当銲点銲料(20—22ppm／℃)跟不上板材的回缩下，一旦其间IM C的生长又不良者，将会造成铜环与銲料之间的分离。若其间之工M C够强时，则又可能会将铜环从板面上拉脱，或是銲料本身的开裂等现象。至于有铅焊料者由于其本性十分柔软，故极少发生此种缺失，除非是厚板深孔才偶而会出现，避免之道应著眼于：
(1) 不可使用铋合金銲料，因其冷却收缩率很大。
(2) 避免铅污染所造成局部低熔点区的麻烦。且少量的铅与铋还会在熔融中往铜面移动，进而妨碍IMC的生长以致强度不足。
(3) 焊后宜加速冷却，以减少其CTE落差出现的机会。
图6、由于PCB板材之Z膨胀远超过銲料，故冷却收缩过程中会出现．铜环翘起（左），
焊料与铜环分离(中／㈠以及銲料本身的撕裂(右)等不同情况。
（三）、搭桥(Bridging)
当SAC或SCN等合金銲料发生多量铜污染时，将带来熔点(mp)上升的负面效应，碍于操作焊温无法同步调高下，致使液料之黏度(Viscosity)增加，在原定产速下(例如110cm／min)难免会引发前后相邻引脚间的搭桥短路(。降低产速虽可应付一时，但溶铜现象还将更为恶化。而无铅焊接在这方面的不良又更甚于有铅者。釜底抽薪的办法就是降低锡池中的铜含量，或添加时改用不含铜的銲料(例SAC30或SN等)去作为补充，以降低其黏度与提升其流动性(F1uiditY)，而使搭桥得以舒解。此外良好的助焊剂也可减少搭桥的发生，某些设计不良彼此太近者，则应将间距予以放宽。採用氮气者也可增加液锡的活性而降低搭桥；或在容易短路的密距QFP出波之尾部，加设牺牲打用途可将多馀銲料予以聚集而成爲"锡贼"的做法。
图7、左图爲大型元件QFP经点胶及波焊而完成的无铅波焊画面，可见到通过锡波的尾部设有延长锡贼，
两翼亦设有扇形锡贼，但前导体的领头处却未加锡贼，右图爲另一SOIC四角的锡贼。
（四）、发生锡球(Solder Balling)
不管是波焊或回焊，无论为有铅或无铅，锡球一向总是如影随形难以根绝的毛病，其成因多半出自直接杀手之溅锡(Spattering)通常助焊剂中之溶剂在预热中未能全数赶走，则顶面易从孔内向外溅出碎球。绿漆硬化不足致使高温中变软或太平滑者，则底面容易发生黏著现象，两板面出现碎球的原因不同。有时OSP皮膜处理不均、或放置太久以致底铜发生氧化(例如库存超过半年)，或锡膏清洗后又重印者，其OSP皮膜已遭醇类所栘除，导致裸铜生锈而发生沾锡性不良，其拒锡过程中亦可能造成溅锡。某些劣质通子L发生吹孔(Blow Hole)时也会溅锡成球，此时调降扬波器泵浦的转速或波压，将可减少锡球的溅出。
图8、左图爲底板面多脚近距间出现极多不良锡球，甚至表面刻意印了白漆者，
仍无法避免锡球的著落（右图）。
（五）、锡尖
当无铅锡池因溶铜过多以致黏度过大时，容易出现牵拖拉扯的短路或锡尖。凡锡池中溶铜量增加0.1％byw t时，其熔点将上升3℃在原本焊温已法同步提高下，其热量之不足势必造成流动性(FluiditV)变差，离波时将无法及时把多馀的锡量顺利拉回而形成锡尖。此刻若具备双波时，后面的平流波会将多馀的锡量溶回。合理的管理方法是不让板面溶入的铜量超过0.9％bywt，否则就要进行除铜的行动以增加液锡的流动性。
图9、当锡池之铜污染增多致使銲料黏度变大，或锡温不足，或行速太快之际，
拖泥带水拉拉扯扯下经常会形成锡尖与锡锥。
（六）、PTH銲点空洞
凡任何銲点中出现圆形空洞者，不管大小应皆出自于气体吹胀均匀推开液锡所致，发生气体(Qutga Sing)的主因是有机物的裂解(DecOmposition)。而有机物的来源则可能出于助焊剂或溶剂之卷入銲点中，在外表已固化而未能及时逸出之际，则只好原地裂解发气形成圆球型空洞。
除了助焊剂、溶剂或板材吸潮之水份外，板面可焊性皮膜(如化学银或OSP等)强热中也会释出有机气体造成空洞。不过此等空洞多半体积很小且多聚集在铜垫或铜壁上，较少机会逸入銲料之中。空洞太多太大当然会影响到銲接强度。从切片的画面上可清楚看到空洞的位置，不管是孔铜壁面或插脚表面，凡已有空洞附著者，则一定无法生长出所必须的的IMC。
（七）、PTH吹孔
凡PTH之钻孔不良又加上孔壁镀铜太薄或分佈不佳时，则于无铅波焊的高热中，其Z方la]的拉扯极可能会将孔铜拉断或形成破洞(Void)。倘若板材中又已吸入水份时，则将瞬间形成水蒸气而向孔内之液锡强力喷tti形成很大的空洞，特称吹孔(B1ow Ho1e)。这种缺．点完全是PTH製作不良所造成，与后来组装参数之关系不大。波焊后板子可先从So1der Side~目检，一旦某些填锡孔出现隆起鼓出者，则锡柱内部很可能就已经吹气了。原因是板子底面接触鍚板温度较高而慢冷，当其填锡处尚未固化时，即可能被内部强大气压向外吹破，故知真正的“吹孔”则只能在底板面上才能看到吹破。吹孔不但是PCB业者的责任，而且还更是很不应该发生的恶行。
图10、当PTH通孔电镀铜品质不良在高热中剧裂Z膨胀拉裂铜壁下，内藏水气会经常往孔中液锡强力吹出而造成吹孔。
这完全是PCB品管不良所致，与下游组装全无关系。
改善吹孔的方法有：
(1) 改善钻孔减少孔壁粗糙，增加孔铜厚度与均度，深孔者还要提升镀铜层的延伸率(Elongation)至2 0％以上，以避免孔中央被拉断。
(2) 避免板子吸水减少气体来源
(3) 既成事实下只好在焊接前烘烤空板，并儘快波焊以减少再度吸水。
图11、吹孔之切片检查是否能找到眞相全靠运气，不一定每次都会逮到吹口的画面。
左图的吹口可能落在直入纸面的正对面，也可能早已被磨掉；
但右图底板面之右上孔经填锡后却向外鼓出者，即可能锡柱中已发生了吹孔。
三、总结
此文付梓之际，欧盟及日本已进入无铅焊接正式执法之开始，2007美国与中国之法令也要相继落实无铅化的展开。而电子电器产品之焊接技术，虽已步入SMT锡膏回焊多年，但单价较低的波焊仍无法自低阶产品中彻底消失。目前多数品牌商虽已指定或倾向mP217℃的SAC305为波焊用料，但事实上此种SAC在銲点品质、单价与生产管理方面都逊于后起之镍铜镍SCN合金，故波焊与喷锡之用料实应捨SAC而就SCN；然而业界明瞭内情者还真的不多，特此赘言以表寸心。
图12、上图爲鍚铅波焊后的外观，下图爲鍚铜镍波焊后的品质，相较之下后者并未逊色。
