元器件引腳鍍層對焊點質(zhì)量影響分析

王冰　張燕紅　王孝勃

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

關(guān)鍵詞：鍍層；焊接；缺陷；分析

中圖分類號：TG454 文獻標識碼：A 文章編號：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，因此對引腳材料與鍍層的焊接性能影響進行分析，對影響因素進行探討，保證電子產(chǎn)品的力學承受能力、耐久性與可靠性在整個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要求，例如在金屬管殼封裝時選用可伐（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；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，當電子電路進入集成化、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題，因此廣泛采用導熱性、導電性好及在高溫下機械性能也好的Cu基合金，其多選用無氧銅，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

SnPb合金鍍層在PCB、引腳或焊端采用，作為保護層，其對鍍層的要求是均勻、致密、半光亮。SnPb合金熔點比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和良好的可焊性。在國外標準（美國 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

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)，具有極好的導電性和可焊性。其厚度分為3級，1級：0.025～0.05 ?m； 2級：0.05～0.075 ?m； 3級：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

Ag在常溫下就有極好的導熱性、導電性和焊接性。除硝酸外，在其它酸中是穩(wěn)定的。Ag具有很好的拋光性，有極強的反光能力，高頻損耗小，表面?zhèn)鲗芰Ω?。然而Ag對S的親和力極高。大氣中微量的S（H2S/SO2或其它硫化物）都會使其變色，生成Ag2S、AgO2而喪失可焊性。Ag的另一個不足是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

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級為2.0 ?m；2級的范圍為2.5～5.0 ?m；3級>5.0 ?m。

3 鍍層在焊接中的反應

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，在當前航空電子產(chǎn)品PCBA焊接中使用的焊料與鍍層搭配也會引起產(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)合力是通過焊接使金屬間產(chǎn)生新的金屬間化合物（簡稱IMC）來實現(xiàn)。金屬間的化合物起著力學連接和電連接的重要作用。

3.3 影響金屬間化合物生長的因素

3.3.1 溫度的影響

熔融Sn和固體的Cu在不同溫度下反應形成IMC包括 η （Cu6Sn5） 相、ε（Cu3Sn） 相、δ（Cu4Sn）相、γ（Cu31Sn8）相，由于反應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，在圖中所能見到的反應層幾乎都是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 反應時間的影響

IMC厚度的生長速度一般都服從擴散定律，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形成。即在焊接時即使是生成的IMC厚度合適的良好焊點，如果將其放置在高溫環(huán)境場合，還會生成新的合金層。

3.3.3 釬料中Sn濃度的影響

IMC的生長通常隨釬料中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。然而從焊接時發(fā)生冶金反應的屬性來看，最終與液態(tài)釬料中的Sn起冶金反應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：此種情況只發(fā)生在底層金屬Ni的ENIG Ni/Au鍍層工藝。因為在焊接過程中，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)生冶金反應形成IMC。

（2）母材金屬Cu與釬料中的Sn發(fā)生冶金反應：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。而Im-Sn鍍層中的Sn熔化也直接與母材金屬Cu發(fā)生冶金反應生成CuSn，銅錫金屬件化合物（IMC）。

Sn對Cu的擴散要比Sn對Ni的擴散容易，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）對焊點可靠性的影響

4.1 IMC對焊接連接的意義

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

4.2 IMC狀態(tài)對焊點可靠性的影響

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)過了一段儲存期后，由于擴散作用在鍍層和母材表面之間的界面上都會不同程度地生成一層η-Cu6Sn5的IMC層。

4.2.2 接觸

當兩種被連接的母材金屬接觸在一起時，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，而普通掃描電鏡（SEM）不能識別焊點凝固后的ε相。而在較高溫度下ε相卻能在更早的反應時間內(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。當連接部位受到外力作用時，界面的強度應力集中最易發(fā)生在凸凹的界面處。在主要斷裂處的后面，還有許多微細的斷裂發(fā)生在呈半島狀凸出的Cu6Sn5的根部。因此，對結(jié)合部位的抗拉試驗，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)場合是由于在界面形成了不良的合金層所致。

5 結(jié) 語

通過對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

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