摘 要：電子組件無鉛焊料的變化要求我們在電子元件和基板上用純錫或軟金等材料取代錫-鉛可焊端接飾面。金存在著焊點脆化風(fēng)險，這可能會降低焊點的機械壽命。我們通過幾個案例研究，清楚地了解這些材料及其焊點脆化機制。我們確認(rèn)了兩種常見的機制，并驗證了金鍍層可能讓焊點劣化的另外兩種方式。這兩種常見的焊點脆化機制是，1)金鍍層從SMC焊點的一側(cè)熔解，以AuSn4化合物形式在焊點的另一側(cè)端接面析出;2)金從SMC端接面完全熔解，導(dǎo)致焊點合金重量百分比過高。其他方式是，3)手動焊接工藝溫度很高，足以熔解鎳和金;4)緩慢熔解的硬金表面鍍層在鍍通孔焊接過程中不完全熔解，通過固態(tài)擴散形成AuSn2化合物層。文中提供了每個案例的近視圖和橫截面圖像，標(biāo)注其SEM/EDS組成信息，提供了產(chǎn)生3.0和4.0重量百分比時金的焊點合金的體積表，并討論了焊點脆化問題及可靠性解決方案。
關(guān)鍵詞：連接器;焊點;脆化;解決方案
1 引言
可靠的雷達電子硬件的制造往往依賴于電子部件和互連基板的高質(zhì)量金屬表面鍍層，而提高表面鍍層質(zhì)量的組件加工可生產(chǎn)性參數(shù)包括可焊性和引線接合性。金和鈀可廣泛應(yīng)用于表面鍍層設(shè)計，以提高可焊性和引線接合性。厚的純金表面可以用來增強導(dǎo)線的接合性。不過，對于引線接合來說，金層太厚也不利于焊接，會導(dǎo)致焊點脆化。此外，電子元件也需要金作為接合面或磨損面，導(dǎo)致焊點合金設(shè)計過厚和/或純度過低，無法達到最佳焊接效果。與原始焊點合金相比，如果在焊點合金液相形成焊點過程中金或鈀熔解得過多，則所得到的焊點合金的組份、機械性能和壽命可能會發(fā)生變化。
電子組件需要用某種焊點合金焊接起來，以實現(xiàn)其相應(yīng)的功能。焊點成分的變化會影響其機械性能，由此產(chǎn)生的壽命可能存在不確定性，或出現(xiàn)降低。焊點退化可能發(fā)生在竣工條件下，或暴露于應(yīng)用場所的環(huán)境應(yīng)力之后。如果金或鈀在焊接過程中不完全熔解，那么，殘留的金或鈀表面鍍層與焊點中的焊料之間可能會出現(xiàn)固態(tài)擴散現(xiàn)象，從而在硬件使用壽命期間因金相變化而出現(xiàn)可靠性問題。
鑒于上述理解，焊點脆化可定義為焊點因金或鈀熔解其中或與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而致使其耐久性(壽命)發(fā)生變化。錫基焊點中的變化可分別由來自金和鈀表面鍍層中金屬間化合物AuSn4或PdSn4來表示。這些化合物可能出現(xiàn)在焊點主體中，也可能出現(xiàn)在表面鍍層接合面，或兩者皆有。與軟焊料合金相比，這些化合物較脆，所以在受到機械應(yīng)變時，焊點的堅固性隨之降低。
根據(jù)焊點的組成，沖擊強度和應(yīng)變率敏感度等基本機械性能可能會發(fā)生變化，而且會受到焊點形成過程中化合物增量的影響。如果富錫焊點中存在上述富錫化合物之外的金-錫或鈀-錫化合物，則表明在焊點形成過程中沒有達到平衡狀態(tài)，這就進一步降低了焊點的金相可靠性。在電子元件的使用壽命期限內(nèi)，當(dāng)焊點試圖達到平衡時，焊點的特性就會發(fā)生變化。
2 問題描述和方法
當(dāng)錫-鉛焊點表面鍍層被禁止用于手機和相機等低臨界應(yīng)用時，成功使用金飾面的挑戰(zhàn)增加了，因為人們擔(dān)心廢棄電子產(chǎn)品中的鉛(Pb)會滲透到供水系統(tǒng)中。
隨著這項禁令的實施，金和純錫的使用量增加了。然而，純錫焊點表面鍍層由于晶須生長往往存在短路和熔斷問題。
金所面臨的挑戰(zhàn)是，它與鈀和銅一樣，會導(dǎo)致軟焊點脆化。我們需要知道焊點合金的最大厚度，以防止過度脆化。電解金也有一個最低厚度要求，以防止孔隙率降低可焊性質(zhì)量。熱氰化物鍍金工藝曲線參閱圖1。
圖1 孔隙率與電解金厚度關(guān)系曲線。電解金厚度為11.4至80微英寸
不過，金通常來說屬于可焊性較高的焊點表面鍍層材料。下面，我們提供幾個焊點材料的焊點脆化機理的研究案例，并提供每種焊點脆化機理在其制造或設(shè)計中的解決方案。
在回顧和總結(jié)重量百分比計算之后，我們可以將典型的焊點合金和鈀鍍層以及焊料體積數(shù)據(jù)輸入重量百分比計算公式，以便對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)提出一些改進措施。目標(biāo)是防止焊點脆化，并提高焊點和導(dǎo)線連接處焊點合金和鈀鍍層的可靠性。
2.1案例研究1-金錫化合物在界面上析出
2.1.1 案例研究1-數(shù)據(jù)
用Sn63Pb37焊點合金對鎳表面鍍金連接器插針(插針)進行焊料熱浸。焊點合金層完全熔解。在熔融狀態(tài)的錫鉛焊料中，焊點合金熔解得很快。然后將插針側(cè)面焊接到電路板焊盤上，鎳焊點表面鍍層設(shè)計圖案也采用鍍金層。焊盤不進行熱浸焊，因為它的金層足夠薄，可以避免焊點中的焊點合金過度脆化。焊接后，插針位置出現(xiàn)明顯的焊點裂紋，如圖2所示。
圖2 插針到SMC電路板焊盤的焊點可看出有一條裂紋(100X)
下面我們對焊點合金進行失效分析，其橫截面數(shù)據(jù)如圖3所示。
圖3 焊點合金從基板上的焊盤中熔解(底部黑色層)，并且在在焊點(見橢圓形)和插針(頂部黑色層)上可見(500X)
我們對電路板焊點做了檢查，發(fā)現(xiàn)有一個缺少鍍鎳擴散邊界層的周緣部分，見圖4所示。需要說明的是，按照對鍍層的設(shè)計，鍍鎳層是用來完全覆蓋住一層較厚鍍金層，在鎳鍍層之上還鍍覆了一層較薄的、可焊的金層。
圖4 電路板焊點俯視圖顯示鎳并未覆蓋厚金層的周邊
2.1.2 案例研究1-結(jié)果
電路基板焊點設(shè)計采用鎳鍍金，但鎳區(qū)并沒有完全覆蓋鎳下的那一層鍍金層。厚金層的周邊區(qū)域可以進入焊點。在焊接過程中，周邊的金大量熔解。固化時，大部分金-錫化合物實際上沉積于焊點另一側(cè)的插針上。當(dāng)焊點開始冷卻和固化時，首先發(fā)生的是AuSn4焊點合金在插針上和焊點中沉積(固化溫度：217℃)，然后是錫-鉛焊點固化到AuSn4上(固化溫度：183℃)，導(dǎo)致插針處的焊點界面較弱。
圖5 改進后的焊盤電鍍設(shè)計的橫截面(45X)，右邊是其近視圖(600X)
連接器插針經(jīng)過焊點熱浸，但金-錫化合物沉積于其上，導(dǎo)致焊點較弱，致使插針處出現(xiàn)焊點脆化。由圖5可見，我們在金焊盤上完全覆蓋了一層鎳。這樣就形成了一個牢固的焊點，沒有出現(xiàn)脆化。
如圖5右邊箭頭所示，當(dāng)薄的深灰色鎳層焊點完全覆蓋厚金層周邊頂部和側(cè)面時，我們看到了焊點中沒有金-錫金屬間化合物的證據(jù)。M. H. Bester先生發(fā)現(xiàn)，在Sn63Pb37焊點合金中可以觀察到金-錫化合物焊點的針狀或片狀結(jié)構(gòu)之前，需要有1-2重量%的金含量。
插針處的焊點界面分離可以通過改進焊點上的電鍍工藝設(shè)計來解決。焊點上沒有形成大量的AuSn4焊點合金，插針上或焊點中也沒有檢測到AuSn4焊點合金。最重要的是，插針處接合得非常牢固。
2.2案例研究2-軟釬焊點中的過量金
2.2.1 案例研究2-數(shù)據(jù)
焊點的表面貼裝(SMC)連接器插針并不總能順利地插合和拔出。連接器如圖6所示，其插針焊點失效情況如圖7所示。
圖6 SMC連接器中心插針有時無法進行插拔
圖7 失效插針焊點截面圖像(100X)
圖8 插針焊點的截面圖(100X)
圖8左邊圓角的近視圖如圖9所示。我們用配有能量分散光譜儀的電子掃描顯微鏡(SEM /EDS)測量了圖10中類似近視圖圓角的成分。其檢查量包括大部分焊點區(qū)域。結(jié)果發(fā)現(xiàn)金含量為10重量%。焊點合金為SnAg3.7。我們按照類似的方法測量了第二個焊點區(qū)域，發(fā)現(xiàn)其金含量為11重量%。
圖9 圖8左邊角焊點近視圖(775X)
圖10與圖9類似的角焊縫，顯示金、錫和銀的分布形態(tài)
依據(jù)不同的焊點盤料量、浸錫過程和三種焊接工藝溫度因素，我們進行了32組試驗。該試驗僅適用于插針焊點組件所用的專用設(shè)備和工藝。
2.2.2 案例研究2 - 結(jié)果
在各項因素最優(yōu)化之后，插針的拉拔強度顯著提高，數(shù)據(jù)如圖11所示，實際效果如圖12-14所示。
圖11 減少插針和電路板上的焊點合金，增加板上的焊點量，以利于提高插針的拉拔強度(克)
圖12 在插針拉拔測試中，插針到電路的焊點強度非常高，以至于電路焊點和電路板材料從板上被扯掉
圖13 從減少金含量和減少氣孔的角度驗證了焊點質(zhì)量的提高(100X)
圖14 圖13中焊點近視圖(2000X)展示采用實驗性設(shè)計的優(yōu)化設(shè)置后，去除了焊點和插針上殘留的未熔解金
按照設(shè)計性試驗規(guī)程，我們采用一項試驗性設(shè)計(包括裝配前的除金步驟)去除了軟焊點中過多的焊點合金，然后進行了一次驗證。
2.3 案例研究3–高溫手工焊接
2.3.1 案例研究3–數(shù)據(jù)
圖15所示的焊接SMC連接器失效分析表明，焊點脆裂與Sn63Pb37焊點合金中過量的金和鎳有關(guān)。我們對圖中最顯要位置所顯示的水平裂紋進行了橫截面分析，參見圖16。用SEM/EDS評估了橫截面微觀結(jié)構(gòu)中的金相組成。
圖15 出現(xiàn)焊點裂紋的焊接SMC連接器。箭頭指向橫截面所在位置
表1顯示焊點的總體組成。其中，檢驗區(qū)域包括圖16中的整個焊點。該區(qū)域不包括界面區(qū)域(Spectrum 1)，以避免附近的鎳元素信號導(dǎo)致測量出現(xiàn)誤差。我們在不同的橫截面上進行了四次測量，結(jié)果如表1所示。焊點合金的平均重量百分比為3.6%，鎳的平均重量百分比為1.3%。
表1 圖16中整體焊點的組成成份
表2 圖16中標(biāo)記為“Spectrum 2”的金相組成
表2顯示了圖16中標(biāo)記為Spectrum 2的中灰色金相組成。根據(jù)原子百分比數(shù)據(jù)，其金屬間化合物金相被確定為(Au0.45Ni0.55)Sn4焊點合金。
圖16中的Spectrum 3和4分別被確定為富錫相和富鉛金相。此外，我們獲得了連接器制成金鍍層厚度的數(shù)據(jù)。其金鍍層厚度為0.70微米(28微英寸)。電路板表面處理方式為化學(xué)鍍鎳浸金。
圖16 脆裂焊點橫截面圖，有附著于電路板焊盤的焊點合金近視圖(2200X)。
2.3.2 案例研究2 - 結(jié)果
一個多功能小組根據(jù)以下分類列出了可能出現(xiàn)的失效原因。
1) 材料;
2) 機器;
3) 流程;
4) 環(huán)境;
5) 人員;
6) 方法。
其中，材料類有兩種原因，工藝流程和方法類各有一種原因。材料類的兩種原因是焊點合金的厚度和使用的焊劑。焊點合金的厚度在IPC-AJ-820A規(guī)范中可規(guī)定為金的重量百分比最大為3至4重量百分比。在手工焊接過程中，焊劑在此溫度下需要很長時間。工藝流程類的原因是產(chǎn)量低于預(yù)期，導(dǎo)致返工率高于預(yù)期。方法類的原因是焊接中散熱設(shè)置值較低，這就需要設(shè)置更高的手動焊接溫度。手動焊接的這個高溫是從鑒定階段(Au0.45Ni0.55)Sn4中的鎳含量推斷出來的，與預(yù)期的化合物AuSn4的典型針狀或片狀結(jié)構(gòu)相比，其形態(tài)較為異常。
手工高溫釬焊可以通過四項改變進行修正：1)使表面貼裝連接器的表面鍍金層更薄;2)使手動焊接用的助焊劑更適用于生產(chǎn);3)改進焊接工藝，使加工零件一次性通過、產(chǎn)出量也更高;以及4)改進返工工藝，采用散熱效果更好的焊接安排。
目前，對高溫手工焊接的分析表明，高溫除了會導(dǎo)致金熔解外，還會讓鍍鎳層的很大一部分也發(fā)生熔解。與金-錫化合物焊點脆化情況不同，金-鎳-錫化合物的焊點脆化并沒有業(yè)界接受和規(guī)定的重量百分比限定范圍。
2.4案例研究4-硬質(zhì)金表面鍍層
2.4.1案例研究4-數(shù)據(jù)
如圖17所示，在電路板的電鍍通孔上焊接一個鎳表面再鍍覆硬金的插針。我們發(fā)現(xiàn)，由Sn63Pb37合金組成的焊點脆化在焊接后出現(xiàn)了一個角裂紋，如圖18所示。橫截面分析顯示，在此角焊縫區(qū)域，插針上的金在焊接過程中并未完全熔解。
圖17 插針在電鍍通孔焊點中的橫橫截面圖(150X)
我們對類似焊點脆化進行了更嚴(yán)格的檢查，發(fā)現(xiàn)其裂紋具體位于插針上的殘余金層和AuSn2金屬間化合物層之間，如圖19所示。與AuSn2相鄰的是連續(xù)的AuSn4層。此外，我們發(fā)現(xiàn)在整個角焊點中都分布有典型的AuSn4化合物。
圖18 顯示與針腳呈分離狀態(tài)的角焊點裂紋近視圖(275X)
圖19 裂紋微觀結(jié)構(gòu)，顯示角焊點中金鍍層殘余物(上部橢圓形)、裂紋(下面箭頭處)和AuSn2/AuSn4雙組分化合物層(下部橢圓形)(700X)
表3所列的焊點合金和化合物熔點對我們有一定的參考意義。在焊接過程中，一般不會達到AuSn2熔點。有人提出，高熔點的AuSn2化合物是通過固態(tài)擴散形成的。相反，在焊點仍處于熔融狀態(tài)時，鍍金層開始熔解并與錫反應(yīng)，形成AuSn4。
表3 焊料和化合物的熔點(°C)
因此，在焊點固化、冷卻過程中，金與AuSn4之間發(fā)生了快速擴散。通過這種擴散就形成了與之比鄰的AuSn2層。注意，AuSn2只是作為AuSn2/AuSn4雙組分化合物界面層的一部分，并沒有分布在角焊點中。
擴散削弱了金與AuSn2界面的結(jié)合強度，局部角焊縫收縮產(chǎn)生了足夠的剝離應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生�？紤]到鍍層可能包含有高達20%的空隙，固態(tài)擴散可形成累積空隙界面，從而產(chǎn)生一種弱化或空隙層。此外，我們也知道固態(tài)擴散和反應(yīng)速率取決于電鍍工藝產(chǎn)生的表面鍍層的應(yīng)力狀態(tài)。
2.4.2案例研究4-結(jié)果
通過分析可以確定，AuSn4是在焊接過程中形成的，并且附著在殘留的金層上。在冷卻過程中，就在焊點固化之后，在界面處形成了額外的金屬間化合物AuSn2，并出現(xiàn)焊點脆化。
表4 金硬度和純度規(guī)范
硬金表面鍍層可能是AuSn2形成(并導(dǎo)致焊點脆化)的原因，不僅因為表面鍍層采用金，還因為它含有鎳或類似的硬化元素。從表4可見，硬金的雜質(zhì)含量至少是軟金的3~10倍。這種硬化雜質(zhì)在焊料中的熔解速率比金的熔解速率慢得多。鎳在230℃的熔融狀態(tài)的Sn60Pb40焊浴中的熔解速度是每秒0.05微英寸，金的熔解速度則是每秒100微英寸，如圖20所示。
金的硬化減緩了金的熔解速率，導(dǎo)致焊點固化后金殘留的厚度增大，增加了擴散量，并形成AuSn2，導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)。
圖20 Bader之后，金屬絲在熔融Sn60Pb40焊點合金中的徑向熔解速率與溫度的關(guān)系(圖表外推超出數(shù)據(jù)范圍)
對于硬金表面鍍層，我們的解決方案是以可控的方式對插針進行熱焊浸漬，以完全熔解鍍金層。這樣，插針就有了一層可焊的、基本上不含金的表面鍍層，焊點脆化問題也由此得以解決。
從上述案例中我們得出一個經(jīng)驗，那就是對焊點脆化進行橫截面檢查，以確保金鍍層在焊點形成過程中完全熔解。如果不知道金的硬度和純度，那么橫截面檢查就顯得更為重要，以驗證金的完全熔解，以便防止焊點脆化。
通過下列公式，我們計算出軟釬焊點脆化中金的重量百分比。
式中，V(Au)是金的體積;
V(Sn63)是焊點的體積;
D(AU)是金的密度;
D(Sn63)是Sn63焊料的密度;
Wt%(Au)是焊點脆化中金的重量百分比。
3 總結(jié)
J-STD-001F認(rèn)為，金的焊點脆化是電氣和電子組件焊接過程中的一種缺陷，凸顯理解下列內(nèi)容的必要性：
1) 焊點脆化機制;
2) 經(jīng)驗證的解決方案;
3) 確定具體標(biāo)準(zhǔn)的可行性。
本文介紹了四個焊點脆化的案例研究，三個是Sn63Pb37，一個是SnAg3.7焊點合金。每個案例都給出了解決方案，并提出了這些解決方案對無鉛合金和標(biāo)準(zhǔn)的適用性問題。
在第一個案例中，金-錫化合物沉積于上面沒有任何金的表面貼裝導(dǎo)線上�；迳嫌幸粚雍窠穑緫�(yīng)用鎳鍍覆，但厚金層的周邊沒有鍍覆，導(dǎo)致金在焊接過程中大量被熔解。這種情況說明了金熔解后AuSn4金屬間化合物形成并沉積于界面以及焊點主體中的常見焊點脆化機制。簡單地重新設(shè)計一下鎳鍍覆層就能解決這個問題。
在第二個案例中，表面貼裝的焊接式連接器插針和基板焊盤都含有太多的金，且焊料體積又太小，導(dǎo)致金的重量百分比太高。我們通過掃描電子顯微鏡和能量分散光譜儀測量了焊點的金含量。這表明，我們不必總是依賴計算來獲取這一數(shù)值。我們通過一項重復(fù)了32次的試驗來為某特定制造設(shè)備優(yōu)化了除金過程工藝、焊料體積和三項溫度設(shè)定。驗證樣品的橫截面表明是成功的。
第一和第二個案例顯示了常見的焊點脆化機制，而第三和第四個案例則提供了一些不同的信息。在第三個案例中，我們對表面貼裝連接器采用手動焊接方式。在電氣試驗過程中，焊點出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。為此，我們成立了一個多功能小組，做了因果調(diào)查，找到了四個原因。通過微觀結(jié)構(gòu)分析，我們發(fā)現(xiàn)手工焊接溫度過高。金和鎳的焊點脆化形成了金屬間化合物(Au0.45Ni0.55)Sn4，其形態(tài)與AuSn4不同。我們通過更好的散熱配置降低了焊接溫度。此外，我們改進了焊劑，并使用了更薄一點的鍍金連接器。
在第四個案例中，插針上的硬金表面鍍層導(dǎo)致焊點在通孔電鍍應(yīng)用中發(fā)生焊點脆化。橫截面分析顯示，在角焊縫區(qū)域，并非所有的金都從插針上熔解掉。AuSn4一開始附著在殘留的金鍍層上。通過擴散形成了AuSn2，由此產(chǎn)生了AuSn2 /AuSn4雙組分化合物層，并從鍍金層上脫落下來。與純金相比，硬化的金在焊料中的熔解速度極其緩慢。金的硬化減緩了金的熔解速率，導(dǎo)致焊點固化后有殘留的鍍金層，導(dǎo)致AuSn2的形成，并出現(xiàn)焊點脆化。硬金需要完全熔解。
就行業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)制定而言，這些案例研究結(jié)果和解決方案對無鉛合金也同樣適用。我們展示了如何將金和鈀的重量百分比限制轉(zhuǎn)換為最大鍍層厚度，在裝配過程中提高可焊性和引線結(jié)合性，以及現(xiàn)場焊點的可靠性。 |
