分析：無鉛焊接脆弱性問題值得關(guān)注

1、分析：無鉛焊接脆弱性問題值得關(guān)注         最新研究顯示，無鉛焊接可能是很脆弱的，特別是在沖擊負載下容易出現(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機械沖擊或劇烈振動的產(chǎn)品來說，是非常值得關(guān)注的。      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

2、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)的可靠性問題上，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。  脆變問題影響  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荷。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。  最新的報告提出了一些出乎意料的建議：脆變問題與Cu和Ni/Au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

3、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)引起嚴重的可靠性關(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Cu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荷。在外加機械負荷的情況下，尤其是系統(tǒng)機械沖擊引起的負荷，焊料的蠕變應(yīng)力總是比較大，原因是這種負荷對焊點施加的變形速度比較大。因此

4、，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CT

5、E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Ni/Au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。人們以往一直認為涂有OSP保護層、浸銀、浸錫或焊料的Cu焊盤在這一點上是"比較安全"的，但即使對Sn-Pb焊料而言，這并不是表示退化機理全然不存在。事實上，Cu通過界面上的Cu3Sn和Cu6Sn5金屬間化合物薄層迅速擴散，往往在Cu/Cu3Sn和/或Cu3Sn/Cu6Sn5界面上形成Kirkendall空洞。然而，這些空洞通常維持很低的密度，

6、而且小得用光學(xué)顯微鏡也看不見，因此常不被視為有任何實際的意義。  最近，有關(guān)Cu焊盤上Sn-Ag-Cu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，這一后果似乎是由Cu3Sn/Cu界面的Kirkendall空洞生長而造成的，在標(biāo)準老化條件(20天至40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)獲得其他研究證實，不過，幸好這種脆化問題是可以避免的。環(huán)

7、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，而IBM所作的研究提出了焊接脆弱性與電鍍批次的相關(guān)性。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Kirkendall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。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。  此外，IBM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Kirkendall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Cu焊盤的金屬間

8、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Ni(P)膜與Sn-Pb焊料之間，長時間的反應(yīng)也會在Ni表面的附近形成Kirkendall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Sn-Pb焊點的對側(cè)焊盤采用銅焊盤，而有現(xiàn)成的銅補充給焊料時，脆化過程變得更為復(fù)雜：三元合金(Cu

9、，Ni)6Sn5層積聚在Ni3Sn4(在鎳表面上形成的)之上。  在這種情況下，老化在Ni3Sn4/(Cu，Ni)6Sn5界面形成空洞。使用Sn-Ag-Cu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"(black pad)現(xiàn)象是一個獲廣泛認同與脆化有關(guān)的獨特現(xiàn)象，特別是關(guān)系到化鎳浸金(ENIG)。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Ni(P)/Ni3Sn4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Ni(P)表面缺乏可焊性，但是常常也

10、包括不同的合金或合金化合物在界面附近產(chǎn)生的作用。"黑盤"通常指一種"時間零點"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"黑盤"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像涉及Ni3Sn4的增加，由此而引起P富集，在下面形成Ni3P，并在二者之間生成一種三元相。不管是哪一種情況，如果從Sn-Pb焊料過渡Sn-Ag-Cu焊料，這個問題似乎都會惡化。  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

11、題是制造公差要求將鍍金層的厚度控制在25微英寸至50微英寸(0.63m至1.3m)以上。  在產(chǎn)品使用過程中，這可能會因最大負荷等因素而出現(xiàn)問題。廣泛的研究表明，在回流過程中溶入于Sn-Pb焊料的金，竟會在以后的老化過程中逐漸返回鎳表面，并導(dǎo)致該表面的Ni3Sn4金屬間化合物上積聚一層(Ni，Au)Sn4。如此產(chǎn)生的界面，其機械強度是不穩(wěn)定的，而且隨(Ni，Au)Sn4厚度的增加而繼續(xù)減小。多種跡象表明，在Sn-Ag-Cu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Ni-Au-Sn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。Qualcomm最近

12、公布的跌落測試(drop testing)觀察中，發(fā)現(xiàn)Ni/Au鍍層上的Sn-Ag-Cu CSP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Ni3Sn4與(Cu，Ni)6Sn5敷層不匹配，但根據(jù)另一些試驗顯示，在(Ni，Cu)3Sn4表面上涂鍍一層厚度相同的(Cu，Ni)6Sn5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。  控制脆化過程  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ENIG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Sn-Ag-Cu焊接比Sn-Pb焊接更為關(guān)鍵。無鉛焊接以避免或減少另一個與Ni/Au電鍍敷層中Au厚度增大有關(guān)的脆化過程。然而，用Sn-Ag-Cu焊接鎳焊盤經(jīng)常導(dǎo)致Ni3Sn4層上積聚(Cu，Ni)6Sn5。如此形成的一些結(jié)構(gòu)在用Sn-Ag-Cu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Sn-Pb焊料，(Cu，Ni)6Sn5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Kirkendall空洞往往可以在正常老化過程之后弱化Cu焊盤上的Sn-A