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無鉛焊接脆弱性問題

文章出處:深圳市龍合自動化設備有限公司發表時間:2018/7/3 16:22:22【

     由于常用的可焊性表面敷層都伴隨著脆化的風險,所以電子工業當前面臨一些非常困難的問題。然而,這些脆化機理的表現形式存在可變性,故為避免或控制一些問題帶來了希望。  

     在電子行業內,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的可靠性問題上,他們無疑有著共同的利害關系,特別是考慮到過渡至無鉛焊接技術的時間表甚短。  
 
1、脆變問題影響 
    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品來說,是非常值得關注的。 
     微電子封裝工業依賴焊接點在各色各樣的組件之間形成穩健的機械連接和電氣互聯,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,業界針對無鉛技術進行了大量的開發工作。  
     最近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。
 
     隨著無鉛焊接技術的即將實施,這種境況可能在微電子工業引起嚴重的可靠性關注和基礎結構問題。無論如何,脆變過程表現形式的可變性(至少是Cu焊盤系統),可以解釋某些脆變機理,并且有望加以控制。  
     簡而言之,焊點上的機械應力來源于插件板上施加的外力或焊接結構內部的不匹配熱膨脹。在足夠高的壓力下,焊料的蠕變特性有助于限制焊點內的應力。即使是一般的熱循環,通常也要求若干焊點能經受得住在每次熱循環中引起蠕變的負荷,因此,焊盤上金屬間化合物的結構必須經受得住焊料蠕變帶來的負荷。在外加機械負荷的情況下,尤其是系統機械沖擊引起的負荷,焊料的蠕變應力總是比較大,原因是這種負荷對焊點施加的變形速度比較大。因此,即使是足以承受熱循環的金屬間化合物結構,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用的固有問題,這些應用中的焊點沖擊負荷是可以預見的。在這些情況下,焊點內的能量幾乎沒有多少能夠在斷裂過程中散逸出去,因此焊點的結構自然容易出現沖擊強度問題。  
      在某些應用中,一些脆變機理即使在CTE失配應力條件下也可以令焊點弱化,導致過早的焊點失效。事實上,即使在很小的負載下,金屬間化合物中持續發展的空洞也會引起故障。  
      盡管與焊接Ni/Au鍍膜焊盤有關的問題早已廣為人知,但是此前觀察結果卻可能反映出如下所述的新現象。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,而且小得用光學顯微鏡也看不見,因此常不被視為有任何實際的意義。  
      此前,有關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品來說是值得關注的。事實上,顯而易見的溫度依賴性或許使我們想到,即使在相當適宜的工作條件下,產品也有可能在幾年之內發生故障。該現象已經獲得其他研究證實,不過,幸好這種脆化問題是可以避免的。環球儀器公司進行的初步實驗沒有再出現上述的空洞現象,而IBM所作的研究提出了焊接脆弱性與電鍍批次的相關性。這些調查結果可能暗示雜質的影響。在一些情況中已經證明污染大大增加Kirkendall空洞的形成,因為雜質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生脆變的故障現象,該現象似乎與Kirkendall空洞確實無關。在組裝以后立即進行的焊球拉力測試顯示,在Cu焊盤的金屬間化合物范圍內出現了界面缺陷,而且這一現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注問題還有待于證實,因為與空洞現象不同的是,長時間的老化不一定令抗拉強度進一步降低。在這個現象中,同樣發現電鍍批次具有可變性。  
      焊接銅的有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,在化學鍍Ni(P)膜與Sn-Pb焊料之間,長時間的反應也會在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生的問題。根據一些報告顯示,當元器件上Sn-Pb焊點的對側焊盤采用銅焊盤,而有現成的銅補充給焊料時,脆化過程變得更為復雜:三元合金(Cu,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焊料焊接鎳預料會發生類似的問題,因為這種焊料合金中有現成的銅源。  
      所謂的"黑盤"(black pad)現象是一個獲廣泛認同與脆化有關的獨特現象,特別是關系到化鎳浸金(ENIG)。事實上,"黑盤"現象可算得上一個無處不在的術語,它涉及的許多與發生在Ni(P)/Ni3Sn4界面上或附近的焊點斷裂有關的現象,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,但是常常也包括不同的合金或合金化合物在界面附近產生的作用。"黑盤"通常指一種"時間零點"現象,反映在接點焊盤之上或附近出現明顯的脆弱性,或僅僅降低機械耐疲勞強度。不管怎樣,有害的"黑盤"效應也可能關聯著另一種脆化機理觀點:根據這種機理,看上去很完.美的金屬間化合物結構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25微英寸至50微英寸(0.63μm至1.3μm)以上。  
在產品使用過程中,這可能會因最.大負荷等因素而出現問題。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,并導致該表面的Ni3Sn4金屬間化合物上積聚一層(Ni,Au)Sn4。如此產生的界面,其機械強度是不穩定的,而且隨(Ni,Au)Sn4厚度的增加而繼續減小。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的影響,也許需要進一步研究。Qualcomm最近公布的跌落測試(drop testing)觀察中,發現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通常看來是穩定的。  
      盡管如此,這個現象似乎與已經非常確實的金相關問題不一。
  
2、控制脆化過程  
      在過渡至無鉛焊接工藝時,電子工業看來面對著極大的焊點脆斷風險,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構脆變的"黑盤"效應和老化過程,似乎對Sn-Ag-Cu焊接比Sn-Pb焊接更為關鍵。無鉛焊接以避免或減少另一個與Ni/Au電鍍敷層中Au厚度增大有關的脆化過程。然而,用Sn-Ag-Cu焊接鎳焊盤經常導致Ni3Sn4層上積聚(Cu,Ni)6Sn5。如此形成的一些結構在用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結構老化也會導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-Ag-Cu焊點,而且甚至在沒有老化的條件下也發現了一種表面上獨立的脆化機理,當然這種脆變繼續隨著老化而趨于惡化。  
      初步結果提示了脆化與電鍍批次的相關性,但是預計材料(如焊料、助焊劑、焊膏、焊盤敷層、電鍍參數)和工藝參數(如回流曲線和環境、焊料與焊盤氧化和污染、焊盤結構、焊膏量)等因素也很重要。  
 
      總括來說,大多數脆化機理的可變性確實帶來了希望,至少有一些脆化過程也許是可以避免或控制的。
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