图1：焊料填充起翘现象
总体而言，主要观察结果如下：
· 波峰焊后，焊料填充起翘与通孔焊点有关；
· 没有检测到与SMT元器件相关的焊点分离（开裂）；
· 焊点开裂通常从通孔焊点的远端开始（图2）。
图2：焊点开裂通常从通孔焊点的远端开始
以下要点概述了与各种无铅成分有关的主要发现。焊料填充起翘的研究总结如下：
· 采用Sn3.4Ag>4.8Bi合金时，90%以上的通孔焊点会发生焊料填充起翘；
· 采用SnAg>7.5Bi合金时，90%以上的通孔焊点会发生焊料填充起翘；
· 采用SnPb涂层元器件时，使用各种无铅合金（在不含Bi的情况下）的通孔焊点会出现严重的焊料填充起翘；
· 采用Sn3.5Ag0.5Cu1Zn合金时，一些通孔焊点会发生焊料填充起翘；
· 采用Sn2.6Ag0.8Cu0.5Sb合金时，一些通孔焊点会发生焊料填充起翘；
· 采用96.5Sn3.5Ag合金时，30%的通孔焊点会发生焊料填充起翘；
· 采用58Bi42Sn合金时，0%的通孔焊点会发生焊料填充起翘；
· 采用63Sn37Pb合金时，0%的通孔焊点会发生焊料填充起翘；
· 采用任何合金，表面贴装焊点开裂均为0%。
因素和原因
根据观察，焊料填充开裂似乎是从孔壁焊盘的远端开始的，此外发现开裂仅发生于通孔焊点，焊料填充起翘归因于组件冷却和焊料固化过程中产生的过大应力。造成这种过度应力的因素可能来自以下几个方面：
· 冷却速度
· 最大温度梯度（焊料槽温度）
· PCB结构（焊盘设计、板厚度）
· 焊料合金成分（熔融温度、合金糊状区、冶金相）
· 焊料合金（应力和应变行为）
· 润湿能力（固有合金润湿能力）
· PCB焊盘的润湿性
在大多数实际情况下，焊料填充起翘极有可能是由上述一种以上因素造成的。
在冶金方面，该现象也被认为是凝固过程中偏析和、或低熔融Sn-Bi共晶相形成的结果（如适用）。如果或当形成低熔融SnBi共晶或其他低熔融相时，低熔融相可能是罪魁祸首。尽管如此，当Bi刚刚出现时，并不一定能形成低温Sn-Bi相。
焊料填充起翘可能会也可能不会导致电路板故障或产品故障。然而，即使没有机械或电气故障，也应该检查和修复焊料填充起翘现象。
补救措施和预防
为了缓解组装操作中的问题（当给定PCB设计且不易更改时），需要考虑以下方面：
工艺方面：
· 降低冷却速度
· 如果可行，避免使用高焊接温度
材料方面：
· 适当选择合金成分（例如，具有足够的塑性应变）
· 选择合金糊状区窄（小于10度）的合金成分
· 选择具有良好内在冶金润湿性的合金成分
· 确保PCB焊盘具备充分的湿润状况
· 确保有兼容的助焊剂
收获的经验
在初期（即设计阶段）应避免出现可能危及另一个性能参数的某一性能特性。这听起来似乎是在陈述显而易见的事实，但事实是，由于缺乏对工艺、材料以及工艺与材料之间兼容性的全面了解而导致的事故多发。
铋是一种特有的元素，可以为电子产品提供有益的重要用途，但必须适当科学地使用。
锡基无铅体系中，Sn、Ag、Cu、Bi4种元素相互作用和潜在的冶金相互作用非常复杂。对于Sn基无铅合金体系，从可靠性的角度来看，通过添加或去除元素，以及仅仅减少或增加元素的剂量来达成某一特性或性能参数，这并不是稳健的方法。
对于可靠性，制造工艺、材料和兼容性，三者紧密交织在一起；电子系统的设置、选择和设计必须将工艺、材料和兼容性视为相互依赖的三要素。
注意事项（意识）
本文讨论的是含铋元素的锡基体系。在实践中，“基体”实际上被定义为构成合金体积50%或以上的元素（即用作冶金基体）。应区分含铋锡基合金和铋基合金。当为微电子、电子封装和组件设计、选择和使用无铅焊料合金时，这种区别非常重要。
· 含铋锡基合金
例如：93Sn3.0Ag1.0Cu3.0Bi
例如：93Sn3.0Ag1.0Cu1.0Bi2.0XYZ
· 铋基合金
例如57Bi41Sn2Ag
例如57Bi41Sn1.5Ag0.5XYZ（掺杂剂）
后续专栏文章将讨论铋的属性、性能以及对电子产品可靠性的影响。
阅读原文查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》23年8月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
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