无铅电子产品的长期可靠性
采用无铅产品会使产品的返修率上升吗
通用汽车的一位高级可靠性专家最近表示：“你知道无铅带来的问题吗？没有人能够回答这样一个
简单的问题：如果我所制造的无铅产品的质量与用锡铅的产品一样，它们工作的时间能一样长
吗？
问题很简单，答案也并不复杂。经过多年的研究和试验，研究人员已经把影响无铅产品长期可靠性 
的因素归结到以下5 个方面。
● 锡须
● Kirkendall 空洞
● 无铅焊料的机械震动
● 无铅焊料的热循环
● 导电阳极丝(CAF)
锡须
锡须是从元器件和接头的锡镀层上生长出来的，如果这些导电的锡须长得太长的话，可能连到其他
线路上，并导致电气短路。通过在器件引脚上使用90Sn10Pb 镀层已经有效地消除了锡须问题，但
现在这个问题又冒了出来。
有些公司用镀纯锡的器件生产了大量的无铅产品，已经发现使用过程中的锡须问题，并且在不到2
年的时间内就会出现故障。虽然还不清楚实际的故障率，但证据显示锡须故障并未使总体的产品返
修率增加。由于在细引脚器件上镀锡是最近三四年才有的事情，锡须对长期可靠性的影响还有待观
如果你不是在设计可能会造成人身伤害的产品，元器件和连接器就要首先考虑是不是具有下面这些
特点。
● 引脚间距小于1mm(有些公司采用的间距小于0.3mm
● 可采用金属外壳(例如通孔晶振或振荡器) 
● 受积压的连接点(例如接头弯曲的电路)
● 有焊缝(例如电解电容)
一旦确定了关键器件，你应该要求器件生产商提供基于iNEMI 建议或JEDEC 标准JESD22A121 的认
证测试。业界对故障的定义几乎还是空白，所以你也许需要提出自己的标准。标准既可以是绝对数
值，例如最大的晶须长度不能超过25、50 或75μm，也可以是相对数值(如最小间距的1/3 或1/2)。
Kirkendall 空洞
在两种不相近的材料之间，由于扩散速率的不同所产生的空洞就称为Kirkendall 空洞，这种空洞
产生机制在SnPb 和无铅焊料中均存在。在最近的实验中，SnPb 焊料中会产生很严重的空洞。但在
过去30 年的表面安装技术使用过程中，还没有因为Kirkendall 空洞导致产品故障的报告。
在无铅焊料中，Kirkendall 空洞是由一些未知因素造成的，似乎会使问题更加严重，尤其是在长期 
的高温条件下。
机械震动
即使你没有碰到过Kirkendall 空洞，对因机械震动或跌落造成的产品性能下降还是要有所准备。
有研究表明，在被施加震动、跌落或电路板被弯曲时，SAC(SnAgCu)焊料合金的失效负载还不到SnPb
合金的一半。这种性能损失似乎是几个因素的共同作用，包括脆弱的金属间化合，因更高的回流焊
接温度而导致的电路板降级，由于SAC 比SnPb 更硬而传递了更大的应力。
这到底是一个长期可靠性问题，还是从一开始就是一个质量问题呢？便携式电子产品制造商的无铅
化已经实施了数年，还没有因为跌落导致返修率增加的报告。有些公司把注意力集中到如何更好地
控制制造环境，特别是减小最大的允许张力，从1000 微肋变减少到750 或500 微肋变。

 
热循环
在某些特定的情况下，SnPb 材料的热性能比无铅的要好，应该考虑下面的一些情况。
● 对焊点疲劳高度敏感的元件(如大型片上电阻、陶瓷封装的BGA、无引脚陶瓷基片、未填充的芯
片级封装)。
● 最大的节点温度超过80℃，驻留时间超过4 小时(驻留时间随温度上升而下降)。
● 每天至少进行一次热循环，预期使用寿命至少为10 年(使用寿命随循环频率的增加而减小)。
如果你处在上面提到的这些情况下，就需要进行基于现有的无铅焊料节点可靠性模型的加速寿命实
验来确定风险。公开的模型更可靠一些，Amkor 和德国的Fraunhofer Institute 为此做出了很多工
作。
CAF 的形成
导电阳极丝(CAF)是由铜丝沿着玻璃纤维或树脂接口迁移形成的，会在相邻的导体间产生内部的电
气短路，这对高密度电路板的设计来说是一个严重的问题，更高的回流焊温度会导致该问题更易发
生。有些大型PCB 板生产商在使用无铅回流焊时，就无法满足用户的CAF 要求。
有些材料和加工工艺即使经过多次回流焊，也可以使电路板避免CAF 问题。不管怎样，所有这些办
法都会增加成本，因为会用到专利的或私有的技术。这样一来，除非客户特别要求，许多PC 板生
产商就不会采用可防CAF 的材料。
Interface Science(Goleta，CA)通过引入硅烷开发了一种很有前途的减缓技术，可使密度和玻璃
纤维的硅烷外壳一致性达到最大。更好的一致性可以使玻璃纤维和树脂结合得更加紧密，减少了CAF
发生的可能性。