無鉛焊接的脆弱性

無鉛焊接的脆弱性摘要最新研究顯示，無鉛焊接可能是很脆弱的，特別是在沖擊負(fù)載下容易出現(xiàn)過早的界面破壞，或者往往由于適度的老化而變得脆弱。脆化機理當(dāng)然會因焊盤的表面處理而異，但是常用的焊盤鍍膜似乎都不能始終如一地免受脆化過程的影響，這對于長時間承受比較高的工作溫度，和/或機械沖擊或劇烈振動的產(chǎn)品來說，是非常值得關(guān)注的。就鎳/金化學(xué)鍍和電鍍敷層而言，脆弱性問題以及相關(guān)的脆化機理早已為人熟知，而就穩(wěn)健性而論，在銅焊盤上無鉛焊接一直被視作''比較安全''。然而，最新觀測結(jié)果顯示，在銅焊盤上進行無鉛焊接獲得的焊點中的組織結(jié)構(gòu)存在兩種或以上的脆化機理或途徑，每一種都會在焊點本體和焊盤表面的交界處導(dǎo)致脆性破裂。由于常用的可焊性表面敷層都伴隨著脆化的風(fēng)險，所以電子工業(yè)當(dāng)前面臨一些非常困難的問題。然而，這些脆化機理的表現(xiàn)形式存在可變性，故為避免或控制一些問題帶來了希望。在電子行業(yè)內(nèi)，雖然每家公司都必須追求各自的利益，但是在解決無鉛焊接的脆弱性及相關(guān)的可*性問題上，他們無疑有著共同的利害關(guān)系，特別是考慮到過渡至無鉛焊接技術(shù)的時間表甚短。為了解決電子工業(yè)目前面臨的這個問題，''協(xié)會''觀念可能是非常適用的。協(xié)會的努力能夠保障其成員公司避免忽略關(guān)鍵性的現(xiàn)象或觀點，協(xié)會也可以充當(dāng)公共論壇，倡導(dǎo)合理的基礎(chǔ)設(shè)施改造，也可帶來解決這些問題所必需的解決方案。引言微電子封裝工業(yè)依賴焊接點在各色各樣的組件之間形成穩(wěn)健的機械連接和電氣互聯(lián)，散熱問題、機械沖擊或振動往往給焊接點帶來很大的負(fù)荷，不過，我們擁有專業(yè)的工藝知識，并能根據(jù)幾十年的豐富經(jīng)驗評價和預(yù)測錫/鉛焊接技術(shù)的結(jié)果。在過去幾年里，業(yè)界針對無鉛技術(shù)進行了大量的開發(fā)工作。盡管我們現(xiàn)在的無鉛知識遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如合金系的經(jīng)驗和認(rèn)識水平，但是一般認(rèn)為現(xiàn)時較遍選用的無鉛錫/銀/銅合金系可提供出色的、或可比的熱力學(xué)抗疲勞強度，并在最壞條件下最低限度地降低焊接點的機械沖擊強度。這些說法雖然仍然是廣泛研究的主題，特別是在高溫和長時間的熱循環(huán)過程中，焊點顯微結(jié)構(gòu)演變所帶來的影響。然而，最新的報告提出了一些出乎意料的建議：脆變問題與和電鍍的焊盤表面都有關(guān)系。事實上，沒有任何常用的可焊性表面敷層能夠一直免受脆變問題的影響。隨著無鉛焊接技術(shù)的即將實施，這種境況可能在微電子工業(yè)引起嚴(yán)重的可*性關(guān)注和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)問題。無論如何，脆變過程表現(xiàn)形式的可變性至少是焊盤系統(tǒng),可以解釋某些脆變機理，并且有望加以控制。簡而言之，焊點上的機械應(yīng)力來源于插件板上施加的外力、或焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部的不匹配熱膨脹。在足夠高的壓力下，焊料的蠕變特性有助于限制焊點內(nèi)的應(yīng)力。即使是一般的熱循環(huán)，通常也要求若干焊點能經(jīng)受得住在每次熱循環(huán)中引起蠕變的負(fù)荷，因此，焊盤上金屬間化合物的結(jié)構(gòu)必須經(jīng)受得住焊料蠕變帶來的負(fù)荷。在外加機械負(fù)荷的情況下，尤其是系統(tǒng)機械沖擊引起的負(fù)荷，焊料的蠕變應(yīng)力總是比較大，原因是這種負(fù)荷對焊點施加的變形速度比較大。因此，即使是足以承受熱循環(huán)的金屬間化合物結(jié)構(gòu)，也會在剪力或拉力測試期間最終成為最脆弱的連接點。然而，這不一定是問題的直接決定性因素，因為外加機械負(fù)荷往往能夠在設(shè)計上加以限制，使之不會引起太大的焊料蠕變，或者至少不會在焊接界面引起斷裂。盡管如此，在這些測試中，從貫穿焊料的裂紋變成焊盤表面或金屬間化合物的斷裂，就是一種不斷脆化的跡象。通常，顯示脆性界面破裂而無明顯塑性變形的焊接是許多應(yīng)用的固有問題，這些應(yīng)用中的焊點沖擊負(fù)荷是可以預(yù)見的。在這些情況下，焊點內(nèi)的能量幾乎沒有多少能夠在斷裂過程中散逸出去，因此焊點的結(jié)構(gòu)自然容易出現(xiàn)沖擊強度問題。在某些應(yīng)用中，一些脆變機理即使在失配應(yīng)力條件下也可以令焊點弱化，導(dǎo)致過早的焊點失效。事實上，即使在很小的負(fù)載下，金屬間化合物中持續(xù)發(fā)展的空洞也會引起故障。盡管與焊接 鍍膜焊盤有關(guān)的問題早已廣為人知，但是最新觀察結(jié)果卻可能反映出如下所述的新現(xiàn)象。人們以往一直認(rèn)為涂有保護層、浸銀、浸錫或焊料的焊盤在這一點上是 比較安全 的，但即使對 焊料而言，這并不是表示退化機理全然不存在。事實上，通過界面上的 和 金屬間化合物薄層迅速擴散，往往在 1、和或 界面上形成 空洞。然而，這些空洞通常維持很低的密度，而且小得用光學(xué)顯微鏡也看不見1［1］、［2，］因此常不被視為有任何實際的關(guān)注意義。最近，有關(guān)焊盤上 焊點在高溫老化過程中機械強度快速減弱的多項報告，在微電子封裝領(lǐng)域引起了極大的轟動、5這一后果似乎是由 界面的 空洞生長而造成的圖1）,在標(biāo)準(zhǔn)老化條件至（天100℃）下也能觀察到大范圍的空洞，使空洞成為了一個明顯的實際問題，至少對承受很高的工作溫度和機械沖擊或振動的產(chǎn)品來說是值得關(guān)注的。事實上,顯而易見的溫度依賴性或許使我們想到,即使在相當(dāng)適宜的工作條件下,產(chǎn)品也有可能在幾年之內(nèi)發(fā)生故障。該現(xiàn)象已經(jīng)獲得其它研究證實［5、、［6,、不過,幸好這種脆化問題是可以避免的。環(huán)球儀器公司進行的初步實驗沒有再出現(xiàn)上述的空洞現(xiàn)象7而 所作的研究提出了焊接脆弱性與電鍍批次的相關(guān)性（圖2）。這些調(diào)查結(jié)果可能暗示雜質(zhì)的影響。在一些情況中已經(jīng)證明污染大大增加 空洞的形成，因為雜質(zhì)在金屬間相的溶解度較低，所以在變換過程之前被''清理''出來而驟然充當(dāng)異源的空洞成核點［8。、無論如何,不可排除的脆化因素還有亞微觀孔隙或氣泡,它們在回流過程中不知何故混入銅表面,繼而成為空洞的藏匿之所。止匕外， 還公布了另一個金屬間化合物界面發(fā)生脆變的故障現(xiàn)象，該現(xiàn)象似乎與空洞確實無關(guān)。在組裝以后立即進行的焊球拉力測試顯示，在焊盤的金屬間化合物范圍內(nèi)出現(xiàn)了界面缺陷,而且這一現(xiàn)象總是由于熱老化而加劇。這究竟是否一個有實際意義的關(guān)注問題還有待于證實,因為與空洞現(xiàn)象不同的是,長時間的老化不一定令抗拉強度進一步降低。在這個現(xiàn)象中,同樣發(fā)現(xiàn)電鍍批次具有可變性。焊接銅的唯一可取的成熟的替代選擇大概是鎳,為了防止氧化,人們通常在鎳上鍍一層金。有些報告指出，在化學(xué)鍍 膜與焊料之間，長時間的反應(yīng)也會在表面的附近形成 空洞。但是與銅相比，這似乎是一個不太可能發(fā)生的問題。根據(jù)一些報告顯示，當(dāng)元器件上 焊點的對側(cè)焊盤采用銅焊盤，而有現(xiàn)成的銅層積聚在在鎳補充給焊料時，脆化過程變得更為復(fù)雜：三元合金表面上形成的）之上。層積聚在在鎳在這種情況下，老化在 界面形成空洞 。使用 焊料焊接鎳預(yù)料會發(fā)生類似的問題，因為這種焊料合金中有現(xiàn)成的銅源。所謂的黑盤 現(xiàn)象是一個獲廣泛認(rèn)同與脆化有關(guān)的獨特現(xiàn)象，特別是關(guān)系到化鎳浸金 。事實上，黑盤現(xiàn)象可算得上一個無處不在的術(shù)語，它涉及的許多與發(fā)生在 界面上或附近的焊點斷裂有關(guān)的現(xiàn)象，最主要的是指在浸金過程中，由于過度腐蝕而使 表面缺乏可焊性，但是常常也包括不同的合金或合金化合物在界面附近產(chǎn)生的作用?，F(xiàn)現(xiàn)黑盤現(xiàn)現(xiàn)通常指一種現(xiàn)現(xiàn)時間零點現(xiàn)現(xiàn)現(xiàn)象，反映在接點焊盤之上或附近出現(xiàn)明顯的脆弱性，或僅僅降低機械耐疲勞強度。不管怎樣，有害的現(xiàn)現(xiàn)黑盤現(xiàn)現(xiàn)效應(yīng)也可能關(guān)聯(lián)著另一種脆化機理觀點：根據(jù)這種機理，看上去很完美的金屬間化合物結(jié)構(gòu)會隨著時間的推移而退化。這第二個脆化機理好象涉及 的增加，由此而引起富集，在下面形成，并在二者之間生成一種三元相。不管是哪一種情況，如果從焊料過渡 焊料，這個問題似乎都會惡化 1 。電解產(chǎn)生的鎳層上通常電解了一層金，采用這個方法的問題是制造公差要求將鍍金層的厚度控制在至微英寸至 以上。在產(chǎn)品使用過程中，這可能會因最大負(fù)荷等因素而出現(xiàn)問題。廣泛的研究[13-表明，在回流過程中溶入于 焊料的金，竟會在以后的老化過程中逐漸返回鑲表面，并導(dǎo)致該表面的 金屬間化合物上積聚一層 。如此產(chǎn)生的界面，其機械強度是不穩(wěn)定的，而且隨 厚度的增加而繼續(xù)減小。多項跡象表明，在焊接所需要的較高回流溫度下，鎳溶解度的增加可能有助于穩(wěn)定焊點中 三元沉淀物的金，但是為了量化對不同參數(shù)的影響，也許需要進一步研究。 最近公布的跌落測試 觀察中，發(fā)現(xiàn)鍍層上的 焊點在時間零點斷裂，此問題曾通過降低回流溫度和縮短回流時間得以緩解或消除。這些報告的作者把脆性斷裂歸咎為 與 敷層不匹配，但根據(jù)另一些試驗顯示，在 表面上涂鍍一層厚度相同的 通?？磥硎欠€(wěn)定的。盡管如此，這個現(xiàn)象似乎與已經(jīng)非常確實的金相關(guān)問題不一棣?？偨Y(jié)在過渡至無鉛焊接工藝時，電子工業(yè)看來面對著極大的焊點脆斷風(fēng)險，而且所有常用的焊盤表面鍍膜均無一幸免。在 焊盤上引起金屬間化合物結(jié)構(gòu)脆變的黑盤效應(yīng)和老化過程，似乎對 焊接比 焊接更為關(guān)鍵。無鉛焊接以避免或減少另一個與 電鍍敷層中厚度增大有關(guān)的脆化過程。然而，用 焊接鑲焊盤經(jīng)常導(dǎo)致 層上積聚 。如此形成的一些結(jié)構(gòu)在用 焊接合金進行裝配之后會立即脆斷，而且在某些情況下即使采用 焊料， 結(jié)構(gòu)老化也會導(dǎo)致難以克服的空洞和多孔缺陷。大范圍的 空洞往往可以在正常老化過程之后弱化焊盤上的