元器件引腳鍍層對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量影響分析

王冰　張燕紅　王孝勃

摘 要：通過(guò)元器件引腳材料、引腳鍍層與錫基釬料的焊接工藝，從機(jī)理上分析了內(nèi)部變化因素的相互作用，對(duì)引腳鍍層通過(guò)焊接后引起的變化、可能產(chǎn)生的缺陷模式，進(jìn)行了分析并采取了預(yù)防措施。為滿足電子產(chǎn)品焊接質(zhì)量與可靠性，提升對(duì)焊接工藝的認(rèn)識(shí)與思路，焊接高可靠性電子產(chǎn)品提供了一些技術(shù)支持以及解決問(wèn)題的方法。

關(guān)鍵詞：鍍層；焊接；缺陷；分析

中圖分類號(hào)：TG454 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）12-00-02

0 引 言

電子元器件向小型化、多功能和高性能方向迅速發(fā)展、元器件封裝引腳或焊端材料和鍍層為了滿足元器件要求而多樣化，在軍工高可靠性要求電子產(chǎn)品中尤為重要，因此對(duì)引腳材料與鍍層的焊接性能影響進(jìn)行分析，對(duì)影響因素進(jìn)行探討，保證電子產(chǎn)品的力學(xué)承受能力、耐久性與可靠性在整個(gè)壽命使用期間保持穩(wěn)定是至關(guān)重要的。

1 元器件引腳或焊端材料

在元器件封裝過(guò)程中為了滿足元器件的可靠性要求，選用不同的材料滿足元器件的相應(yīng)要求，例如在金屬管殼封裝時(shí)選用可伐（FeNi29Go17合金）如圖1（a）所示，它的選用主要是可伐與玻璃絕緣子熱膨脹系數(shù)接近，在后續(xù)的焊接或使用中經(jīng)得起高低溫的考驗(yàn)；陶瓷封裝的集成電路多選用可伐材質(zhì)如圖1（b）、圖1（e）、圖1（f）、圖1（g）所示；又如銅，當(dāng)電子電路進(jìn)入集成化、高密度組裝階段，發(fā)生在引腳上的電阻熱已成為不可忽視的問(wèn)題，因此廣泛采用導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性好及在高溫下機(jī)械性能也好的Cu基合金，其多選用無(wú)氧銅，如圖1（d）的尾端部分，圖1（c）焊球下的焊盤也是銅。有很多有引線引腳元器件也采用銅質(zhì)材料，如圖1（h）所示。

2 元器件的引腳或焊端PCB鍍層

2.1 SnPb（錫鉛）鍍層

SnPb合金鍍層在電子產(chǎn)品中使用最廣泛，其代表材料為Sn37Pb。

2.1.1 SnPb鍍層特點(diǎn)

SnPb合金鍍層在PCB、引腳或焊端采用，作為保護(hù)層，其對(duì)鍍層的要求是均勻、致密、半光亮。SnPb合金熔點(diǎn)比Sn、Pb均低，且孔隙率和可焊性均好。只要含Pb量大于3%就可以基本消除Sn“晶須”的發(fā)生。

2.1.2 SnPb鍍層厚度

在PCB上鍍SnPb合金必須有足夠的厚度，才能為其提供足夠的保護(hù)和良好的可焊性。在國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)（美國(guó) MIL-STD-27531）中多規(guī)定SnPb合金最小厚度為7.5 ?m。

2.2 Au（金）鍍層

2.2.1 鍍層特點(diǎn)

Au鍍層有很好的裝飾性、耐腐蝕性和較低的接觸電阻，鍍層可焊性非常好，極易溶于釬料中。

2.2.2 鍍層厚度

ENIG Ni/Au鍍金，焊接用鍍金層一般選用24K純金，具有柱狀結(jié)構(gòu)，具有極好的導(dǎo)電性和可焊性。其厚度分為3級(jí)，1級(jí)：0.025～0.05 ?m； 2級(jí)：0.05～0.075 ?m； 3級(jí)：0.075～0.125 ?m。電鍍Au厚度可根據(jù)產(chǎn)品需要選擇。

2.3 Ag（銀）鍍層特點(diǎn)

Ag在常溫下就有極好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和焊接性。除硝酸外，在其它酸中是穩(wěn)定的。Ag具有很好的拋光性，有極強(qiáng)的反光能力，高頻損耗小，表面?zhèn)鲗?dǎo)能力高。然而Ag對(duì)S的親和力極高。大氣中微量的S（H2S/SO2或其它硫化物）都會(huì)使其變色，生成Ag2S、AgO2而喪失可焊性。Ag的另一個(gè)不足是Ag離子很容易在潮濕環(huán)境中沿著絕緣材料表面及體積方向遷移，使材料的絕緣性能劣化甚至短路。

2.4 Ni（鎳）鍍層

2.4.1 Ni鍍層特點(diǎn)

Ni鍍層具有很好的耐腐蝕性，在空氣中容易鈍化，形成一層致密的氧化膜，因而它本身的焊接性能很差。但也正是這層氧化膜使它具有較高的耐腐蝕性，能耐強(qiáng)堿，與鹽酸或硫酸作用緩慢，僅易溶于硝酸。

2.4.2 鍍層厚度

厚度：不低于2～2.5 ?m。打底：1級(jí)為2.0 ?m；2級(jí)的范圍為2.5～5.0 ?m；3級(jí)>5.0 ?m。

3 鍍層在焊接中的反應(yīng)

元器件封裝和引腳決定其采用何種鍍層，鍍層直接決定焊接工藝與焊前處理，當(dāng)前元器件飛速發(fā)展，采用的鍍層種類也不盡相同，在元器件的封裝焊接中有許多部位采用了錫基焊料完成，所以在PCB組裝焊接中要考慮元器件因素影響（例如BGA、CSP、LGA與其它元器件的不同）。

3.1 焊接焊料與焊接溫度

在焊接中焊料不同焊接溫度曲線也不同，在當(dāng)前航空電子產(chǎn)品PCBA焊接中使用的焊料與鍍層搭配也會(huì)引起產(chǎn)品可靠性的變化。

3.2 焊接產(chǎn)生的金屬間化合物

焊接過(guò)程中焊盤與焊料、焊料與元器件引腳之間的結(jié)合力是通過(guò)焊接使金屬間產(chǎn)生新的金屬間化合物（簡(jiǎn)稱IMC）來(lái)實(shí)現(xiàn)。金屬間的化合物起著力學(xué)連接和電連接的重要作用。

3.3 影響金屬間化合物生長(zhǎng)的因素

3.3.1 溫度的影響

熔融Sn和固體的Cu在不同溫度下反應(yīng)形成IMC包括 η （Cu6Sn5） 相、ε（Cu3Sn） 相、δ（Cu4Sn）相、γ（Cu31Sn8）相，由于反應(yīng)溫度的不同而形成的金屬間化合物也不同。

在250℃溫度范圍附近所進(jìn)行的焊接，Sn系合金和各種母材金屬界面間可能形成的代表性金屬間化合物，ε-Cu3Sn的厚度非常薄（<1 ?m），因而很難將其分辨出來(lái)，在圖中所能見(jiàn)到的反應(yīng)層幾乎都是η-Cu6Sn5。Cu6Sn5金屬間化合物與Cu在所有釬料中均有很好的黏附性。界面層的形態(tài)對(duì)連接的可靠性影響很大，但由于金屬間化合物的脆性和母材的熱膨脹等物性上的較大差異，因此很容易產(chǎn)生龜裂。

3.3.2 反應(yīng)時(shí)間的影響

IMC厚度的生長(zhǎng)速度一般都服從擴(kuò)散定律，合金層的厚度W可按下式近似的求得。

IMC不僅可以在固體金屬和熔融金屬之間形成，也能在固體金屬之間反應(yīng)形成。即在焊接時(shí)即使是生成的IMC厚度合適的良好焊點(diǎn)，如果將其放置在高溫環(huán)境場(chǎng)合，還會(huì)生成新的合金層。

3.3.3 釬料中Sn濃度的影響

IMC的生長(zhǎng)通常隨釬料中Sn的濃度增大而變厚。

3.3.4 母材涂層種類的影響

引腳鍍層目前常用的涂層是：ENIG Ni/Au、Im-Ag、Im-Sn、OSP。然而從焊接時(shí)發(fā)生冶金反應(yīng)的屬性來(lái)看，最終與液態(tài)釬料中的Sn起冶金反應(yīng)的底層金屬元素可區(qū)分為下述兩種情況：

（1）底層金屬Ni與釬料中的Sn發(fā)生冶金反應(yīng)：此種情況只發(fā)生在底層金屬Ni的ENIG Ni/Au鍍層工藝。因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，Au元素很快溶入到釬料中去了，僅有暴露的底層金屬Ni元素與釬料Sn發(fā)生冶金反應(yīng)形成IMC。

（2）母材金屬Cu與釬料中的Sn發(fā)生冶金反應(yīng)：此種情況出現(xiàn)在Im-Ag、OSP、Im-Sn等涂層工藝情況下。在焊接過(guò)程中發(fā)生的Im-Ag將很快溶入到焊料中去；而OSP涂層在助焊劑和焊接熱的作用下，也將很快分解完。在上述兩種情況下，最終直接暴露的是母材金屬Cu與Sn發(fā)生冶金反應(yīng)。而Im-Sn鍍層中的Sn熔化也直接與母材金屬Cu發(fā)生冶金反應(yīng)生成CuSn，銅錫金屬件化合物（IMC）。

Sn對(duì)Cu的擴(kuò)散要比Sn對(duì)Ni的擴(kuò)散容易，故形成了IMC厚度上的差異。顯然，在相同的老化溫度和時(shí)間（10 h）的情況下，Sn3.5Ag和SAC405兩種釬料合金和OSP、ENIG兩種不同的涂敷工藝所形成的IMC厚度上的差異很大。

4 金屬間化合物（IMC）對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響

4.1 IMC對(duì)焊接連接的意義

界面層的形態(tài)對(duì)焊接接續(xù)部分的結(jié)構(gòu)可靠性有很大的影響。特別是厚度，要特別注意避免過(guò)厚的IMC層，過(guò)厚的IMC層易導(dǎo)致諸如結(jié)構(gòu)變化、微小孔洞、尺寸等必要的缺陷。一般認(rèn)為0.5～3.5 ?m是最佳范圍，圖2所示是其抗拉強(qiáng)度示意圖。

4.2 IMC狀態(tài)對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響

4.2.1 焊接之前

通常母材金屬（元器件引腳）在焊接之前都涂敷有可焊性涂層，如SnPb涂層。它們經(jīng)過(guò)了一段儲(chǔ)存期后，由于擴(kuò)散作用在鍍層和母材表面之間的界面上都會(huì)不同程度地生成一層η-Cu6Sn5的IMC層。

4.2.2 接觸

當(dāng)兩種被連接的母材金屬接觸在一起時(shí)，它們間接觸界面的中間是一層Sn。

4.2.3 加熱結(jié)合

在Cu基板和共晶或近似共晶釬料SnPb、SnAg、SAC及純Sn的界面處初始生成的IMC為η-Cu6Sn5。不大確定的是，在Cu基板和η相間的界面處另一穩(wěn)定的ε-Cu3Sn相能否生成，這種不確定性的原因是ε相非常薄，即使存在也需要投射電鏡（TEM）才可分辨出來(lái)，而普通掃描電鏡（SEM）不能識(shí)別焊點(diǎn)凝固后的ε相。而在較高溫度下ε相卻能在更早的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)生成。

Cu3Sn比較薄，且Cu3Sn的界面比較平坦，而Cu6Sn5比較厚，在釬料一側(cè)形成許多像半島狀的突起。當(dāng)連接部位受到外力作用時(shí)，界面的強(qiáng)度應(yīng)力集中最易發(fā)生在凸凹的界面處。在主要斷裂處的后面，還有許多微細(xì)的斷裂發(fā)生在呈半島狀凸出的Cu6Sn5的根部。因此，對(duì)結(jié)合部位的抗拉試驗(yàn)，必然是Cu6Sn5被破壞。因此，所有發(fā)生在界面上龜裂的原因，多數(shù)場(chǎng)合是由于在界面形成了不良的合金層所致。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)一些材料的焊接工藝分析，文中分析了其內(nèi)部變化因素的影響，希望可以為廣大同仁提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]樊融融.現(xiàn)代電子裝聯(lián)工藝過(guò)程控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]樊融融.現(xiàn)代電子裝聯(lián)工程應(yīng)用1100問(wèn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3]吳兆華.表面組裝技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.