无铅焊接的脆弱性研究(一)

  
  最新研究显示,无铅焊接可能是很脆弱的,特别是在冲击负载下容易出现过早的界面破坏,或者往往由于适度的老化而变得脆弱。脆化机理当然会因焊盘的表面处理而异,但是常用的焊盘镀膜似乎都不能始终如一地免受脆化过程的影响,这对于长时间承受比较高的工作温度,和/或机械冲击或剧烈振动的产品来说,是非常值得关注的。就镍/金 (Ni/Au) 化学镀和电镀敷层而言,脆弱性问题以及相关的脆化机理早已为人熟知,而就稳健性而论,在铜焊盘上无铅焊接一直被视作''比较安全''。然而,最新观测结果显示,在铜焊盘上进行无铅焊接获得的焊点中的组织结构存在两种或以上的脆化机理或途径,每一种都会在焊点本体和焊盘表面的交界处导致脆性破裂。由于常用的可焊性表面敷层都伴随着脆化的风险,所以电子工业当前面临一些非常困难的问题。然而,这些脆化机理的表现形式存在可变性,故为避免或控制一些问题带来了希望。在电子行业内,虽然每家公司都必须追求各自的利益,但是在解决无铅焊接的脆弱性及相关的可*性问题上,他们无疑有着共同的利害关系,特别是考虑到过渡至无铅焊接技术的时间表甚短。为了解决电子工业目前面临的这个问题,''协会''观念可能是非常适用的。协会的努力能够保障其成员公司避免忽略关键性的现象或观点,协会也可以充当公共论坛,倡导合理的基础设施改造,也可带来解决这些问题所必需的解决方案。引言微电子封装工业依赖焊接点在各色各样的组件之间形成稳健的机械连接和电气互联,散热问题、机械冲击或振动往往给焊接点带来很大的负荷,不过,我们拥有专业的工艺知识,并能根据几十年的丰富经验评价和预测锡/铅 (Sn-Pb) 焊接技术的结果。在过去几年里,业界针对无铅技术进行了大量的开发工作。尽管我们现在的无铅知识远远不如Sn-Pb合金系的经验和认识水平,但是一般认为现时较遍选用的无铅(锡/银/铜) (Sn-Ag-Cu)合金系可提供出色的、或可比的热力学抗疲劳强度,并在最坏条件下最低限度地降低焊接点的机械冲击强度。这些说法虽然仍然是广泛研究的主题,特别是在高温和长时间的热循环过程中,焊点显微结构演变所带来的影响。然而,最新的报告提出了一些出乎意料的建议:脆变问题与Cu和Ni/Au 电镀的焊盘表面都有关系。事实上,没有任何常用的可焊性表面敷层能够一直免受脆变问题的影响。随着无铅焊接技术的即将实施,这种境况可能在微电子工业引起严重的可*性关注和基础结构问题。无论如何,脆变过程表现形式的可变性 (至少是Cu焊盘系统),可以解释某些脆变机理,并且有望加以控制。简而言之,焊点上的机械应力来源于插件板上施加的外力、或焊接结构内部的不匹配热膨胀。在足够高的压力下,焊料的蠕变特性有助于限制焊点内的应力。即使是一般的热循环,通常也要求若干焊点能经受得住在每次热循环中引起蠕变的负荷,因此,焊盘上金属间化合物的结构必须经受得住焊料蠕变带来的负荷。在外加机械负荷的情况下,尤其是系统机械冲击引起的负荷,焊料的蠕变应力总是比较大,原因是这种负荷对焊点施加的变形速度比较大。因此,即使是足以承受热循环的金属间化合物结构,也会在剪力或拉力测试期间最终成为最脆弱的连接点。然而,这不一定是问题的直接决定性因素,因为外加机械负荷往往能够在设计上加以限制,使之不会引起太大的焊料蠕变,或者至少不会在焊接界面引起断裂。尽管如此,在这些测试中,从贯穿焊料的裂纹变成焊盘表面或金属间化合物的断裂,就是一种不断脆化的迹象。通常,显示脆性界面破裂而无明显塑性变形的焊接是许多应用的固有问题,这些应用中的焊点冲击负荷是可以预见的。在这些情况下,焊点内的能量几乎没有多少能够在断裂过程中散逸出去,因此焊点的结构自然容易出现冲击强度问题。在某些应用中,一些脆变机理即使在CTE失配应力条件下也可以令焊点弱化,导致过早的焊点失效。事实上,即使在很小的负载下,金属间化合物中持续发展的空洞也会引起故障。尽管与焊接Ni/Au镀膜焊盘有关的问题早已广为人知, 但是最新观察结果却可能反映出如下所述的新现象。人们以往一直认为涂有OSP保护层、浸银、浸锡或焊料的Cu焊盘在这一点上是"比较安全"的,但即使对Sn-Pb焊料而言,这并不是表示退化机理全然不存在。事实上,Cu 通过界面上的 Cu3Sn 和 Cu6Sn5 金属间化合物薄层迅速扩散,往往在Cu/Cu3Sn [1]、[2] 和/或 Cu3Sn/Cu6Sn5界面 [3] 上形成 Kirkendall 空洞。然而,这些空洞通常维持很低的密度,而且小得用光学显微镜也看不见1 [1]、[2],因此常不被视为有任何实际的关注意义。

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