電子組件向無鉛焊料的轉(zhuǎn)變促使制造商在電子元器件或電路基板上使用純錫或軟金等材料來替代錫-鉛可焊端接精飾。金有焊點脆裂風(fēng)險，這就可能會降低焊點的機械壽命。對于脆裂材料及其機理，我們采用了特寫和橫截面圖片，并顯示其在SEM/EDS組成成分信息。文中還給出了金的重量百分比為3.0%和4.0%的焊料量和金的量的表，并探討了脆裂問題的成因及確?？煽啃缘慕鉀Q方案。這些數(shù)據(jù)對改進鍍金工藝、避免焊點脆裂具有啟發(fā)意義。

1 引言

可靠的雷達電子硬件的制造有賴于在電子元器件和互連基板上生成高質(zhì)量的表面鍍層。可焊性和引線錨固強度是生產(chǎn)中評判表面金屬鍍層質(zhì)量高低的兩項參數(shù)。為了增強可焊性和引線的錨固強度，金和鈀廣泛地應(yīng)用于表面鍍層的設(shè)計中。增強引線的錨固強度可以采用厚的純金鍍層。不過，可充分滿足引線錨固強度要求的金鍍層厚度對于可焊性而言又可能顯得太厚，導(dǎo)致焊點脆裂。此外，表面的金屬鍍層可能會被用作元器件的插合表面或磨損表面，這會導(dǎo)致金鍍層設(shè)計得過厚或雜質(zhì)過多，難以達到理想的焊接效果。

在液相焊料合金轉(zhuǎn)化形成焊點的過程中，如果過多的金或鈀溶入焊點，那么，所形成焊點的元素組成和機械性能與原來的焊料合金相比就會大不相同。通常需要依照電子組件的設(shè)計，用特定焊料合金將它們焊接起來才能使它們正常地工作。因此，焊點元素組成的變化會影響其機械性能，并將導(dǎo)致其耐用性下降或發(fā)生未知的變化。

無論是按照完工狀態(tài)原樣保存還是讓其受到環(huán)境應(yīng)力的作用，焊接好的電子產(chǎn)品都有可能產(chǎn)生逐漸劣化的現(xiàn)象。如果金或鈀金屬在焊接過程中的溶解并不完全，那么在所殘留的金鍍層或鍍鈀層和焊點之間就會發(fā)生固態(tài)擴散，在硬件的使用壽命中產(chǎn)生冶金學(xué)范疇的變化，并帶來可靠性方面的隱患。

在理解了上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，焊點脆裂現(xiàn)象就可以定義為焊點耐用性因為表面鍍層(金或鈀等)溶解和/或與焊點組分產(chǎn)生反應(yīng)而產(chǎn)生的變化。在使用錫基焊料進行焊接過程中，金或鈀鍍層上會相應(yīng)出現(xiàn)AuSn4或PdSn4的金屬間化合物。這種化合物可能會大量出現(xiàn)在焊點或在表面鍍層的界面上，或兩者兼有。與軟焊料合金相比，這些金屬間化合物更脆，故在承受機械應(yīng)變時，焊點的牢固度就會下降。在焊點成型過程中，隨著焊點中金屬間化合物成分的增加，諸如沖擊強度和應(yīng)變率敏感度等焊點的基本機械性能也會相應(yīng)發(fā)生變化。

如果在富含金屬錫的焊點中所產(chǎn)生的金屬間化合物并不是上述含錫最多的Sn4型的金錫化合物或鈀錫化合物，那么，這表明焊點在其成型的過程中尚未到達平衡的狀態(tài)。因此，該焊點在冶金學(xué)范疇上的可靠性仍然存疑。焊接點性能會隨著其在電子硬件使用壽命中逐漸趨向平衡狀態(tài)而發(fā)生改變。

2 問題的描述與方法

由于人們擔(dān)憂錫鉛表面鍍層中的鉛(Pb)會從廢棄的電子產(chǎn)品滲入到供水系統(tǒng)中，因此禁止在諸如電話和照相機等關(guān)鍵性較低的應(yīng)用中使用這種表面鍍層。

這種禁令促使人們更多地使用金和純錫作為表面鍍層。但是，缺少了阻止晶須生長的鉛元素，純錫的表面鍍層會生長出晶須狀的細絲，并因此導(dǎo)致短路或熔斷。

而使用金、鈀和金屬銅的挑戰(zhàn)則是這些元素會導(dǎo)致軟焊點發(fā)生脆裂。因此，為了避免過多產(chǎn)生這樣的脆裂，我們需要知道表面金鍍層的最大厚度。同樣，我們還需要確定金鍍層的最小厚度，以免產(chǎn)生過多的孔隙，影響焊接質(zhì)量。圖1顯示熱氰化鍍金工藝中孔隙率和金鍍層厚度的關(guān)系。

圖1 孔隙率與金鍍層厚度(11.4~80微英寸)關(guān)系圖

在通常情況下，金鍍層被視作高度可焊的表面鍍層。接下來本文給出了焊點脆裂的多種主要原理，并對各項原理的焊點脆裂提出了基于已有的行業(yè)標準和其他有報道的研究工作的、制造或設(shè)計層面的解決方案。

我們將常見的鍍金、鍍鈀和焊料的量輸入重量百分比計算公式中得到相應(yīng)的結(jié)果，并對重量百分比計算公式進行了回顧和總結(jié)，然后提出了一些對標準的改進建議。

本文旨在避免焊點脆裂，并使表面金鍍層和表面鍍鈀層在焊接和導(dǎo)線鍵合過程中的使用變得簡單方便起來。

3 案例研究1-金錫化合物在界面上析出

3.1 案例研究1-數(shù)據(jù)

這里使用到的連接器插針的表面鍍層設(shè)計是先鍍鎳然后再鍍金，鍍后再將這樣的連接器插針蘸上熔融狀態(tài)下的Sn63Pb37焊料合金。根據(jù)相關(guān)文獻，金鍍層很快就在熔融的錫鉛焊料中溶解了。

將插針以側(cè)面焊接至電路板上的、同樣是先鍍鎳再鍍金鍍層設(shè)計的焊盤上。由于焊盤的金鍍層很薄，完全可以避免在焊點中產(chǎn)生過多的脆裂，因此焊盤沒有蘸上熱熔的焊料。接點在焊接后在插針處開裂的情況如圖2所示，對該焊點進行失效分析，其橫截面如圖3所示。

圖2 從針到表貼電路板焊盤的焊點顯露出一條裂縫

圖3 金從電路板基底的焊盤上溶解，并且在接點(請參見橢圓部分)和插針(頂部黑色層)上可見

對電路板焊盤進行檢查，發(fā)現(xiàn)存在如圖4所示的、缺少鍍鎳擴散邊界層的周緣部分。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金鍍層的，在這樣的鍍鎳層上還涂覆一層較薄的可焊金鍍層。

圖4 電路板焊盤俯視顯示鎳鍍層并未覆蓋住厚金層周邊

3.2 案例研究1-結(jié)果

基底焊盤的表面鍍層設(shè)計是外表面的金鍍層覆蓋住下面的鍍鎳層，但是鍍鎳的區(qū)域并未完全蓋住鍍鎳層下的、較厚的金鍍層。厚金層的邊緣與焊點發(fā)生了接觸。

在焊接過程中，邊緣區(qū)域的金大量溶解到熔融焊料中并形成金錫化合物。當(dāng)焊料固化時，大量金錫化合物在焊點靠插針的那一面析出。隨著焊點開始冷卻和凝固，AuSn4(凝固點為217℃)首先在插針上和焊點中析出，然后錫鉛焊料(凝固點為183℃)在AuSn4上析出，并在插針上形成強度較低的界面。

在插針上析出的金錫化合物使焊點的強度較低，并在插針處開裂。圖5顯示我們在理解了上述原理后對總結(jié)出來的經(jīng)驗的應(yīng)用。我們用鍍鎳層完全覆蓋住焊盤上的厚金層。結(jié)果，焊點強度很高，并且沒有發(fā)生脆裂現(xiàn)象。

圖5 左邊是改進后焊盤電鍍設(shè)計的橫截面，右邊是特寫圖

如圖5右邊的箭頭符號所示，當(dāng)厚金層的邊緣被圖中暗灰色的鎳薄鍍層完全遮蓋時，在焊點中就看不到金錫金屬間化合物的出現(xiàn);而根據(jù)Bester的觀測結(jié)果，在Sn63Pb37焊料合金中至少要有重量百分比為1%~2%的金元素，才會看得到針尖狀或薄片狀的金錫化合物。

我們通過改進焊盤的設(shè)計解決了焊接界面在插針處發(fā)生分離的問題。采用新的設(shè)計后，焊盤處不再形成大量的AuSn4，在插針上或焊點中也檢測不到AuSn4的存在。最重要的是，插針處不存在強度較低的界面。

4 案例研究2 - 軟焊接接頭中金過多

4.2 案例研究2-數(shù)據(jù)

焊接上的表面貼裝連接器并不是總能順利插拔。圖6所示的連接器在圖7所示的情況下會遇到插針焊點失效的問題。

圖6 表貼連接器中心插針有時無法插入插孔或從插孔中拔出

圖7 失效插針焊點的橫截面

圖9是圖8左邊角焊縫的特寫圖片。圖10顯示類似的特寫圖片，并使用SEM/EDS測量該區(qū)域元素構(gòu)成。這一批的檢視包括了焊點區(qū)域的絕大部分，這其中含有重量百分比為10%的金元素;此過程所使用的焊料合金為SnAg3.7。對另一處焊點區(qū)域進行的類似測量顯示其中含有重量百分比為11%的金元素。

圖8 插針焊點橫截面圖片

圖9 圖8左側(cè)角焊縫特寫圖

圖10 與圖9類似的角焊縫，顯示金(Au)、錫(Sn)和銀(Ag)的分布形態(tài)

依照不同的焊點預(yù)成型體的量、浸錫過程和三種焊接工藝溫度因素，我們進行了32組試驗。各組試驗對插針焊點組件的制造過程所涉及的獨特設(shè)備和工藝都有針對性。

4.2 案例研究2-結(jié)果

在各項因素最優(yōu)化之后，插針拉拔強度顯著提高，數(shù)據(jù)見圖11，實際效果見圖12~14所示。

圖11 減少插針和電路板上的金，增加電路板上的焊料量，良好地相互作用以增加插針的拉拔強度(克)

圖12 在插針拉拔試驗中，插針到電路焊點的強度很高，使得電路焊盤和電路板材料也被扯出電路板

圖13 從金含量的減少和氣泡的減少來看，焊點質(zhì)量的改善得到了驗證

圖14 圖13中焊點的特寫圖片顯示在采用試驗性設(shè)計的最優(yōu)化設(shè)置后，去除了焊盤和插針上殘留的、未溶解的金鍍層

按照一種預(yù)定的試驗，我們通過一項試驗性設(shè)計(包括預(yù)裝配除金步驟)除去了軟焊點中過量的金元素，并進行驗證。

5 案例研究3 - 高溫手工焊接

5.1 案例研究3-數(shù)據(jù)

對如圖15所示的焊接安裝的表面貼裝連接器的一項失效分析顯示焊點開裂與原本組成為Sn63Pb37的焊料合金中過多的金和鎳元素有關(guān)。對圖15前景中水平方向上的開裂的接點進行切橫截面檢查，結(jié)果如圖16所示。此外，我們還用SEM/EDS對橫截面某些微觀結(jié)構(gòu)金相進行了分析。

表1顯示圖16所示的焊點在總體上的元素組成。在進行測量時并沒有將如圖16位點Spectrum 1所示的界面區(qū)域包括在內(nèi)，這是為了避免其附近的鎳元素信號致使測量出現(xiàn)誤差。我們對不同的橫截面進行了4次測量，測量結(jié)果如表1所示。其中，金元素平均重量百分比為3.6%，鎳元素平均重量百分比為1.3%。表2顯示圖16中標記為Spectrum 2的中灰色金相的組成成分。這樣的金屬間化合物金相按其原子百分比數(shù)據(jù)確定為(Au0.45Ni0.55)Sn4。圖16中標記為Spectrum 3和Spectrum 4的位點分別確定為富錫金相和富鉛金相。

此外，還獲得了連接器的制成金鍍層厚度。它的金鍍層厚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15 焊接上的表貼連接器，其接點有裂痕。箭頭指向橫截面所在位置

圖16 開裂接點橫截面，焊料與電路板焊盤相接處特寫圖

表1 圖16中整個焊點組成成分

表2 圖16中標為“光譜2”的金相組成成分

5.2 案例研究3-結(jié)果

一個多功能小組按照如下所示的類目檢查了可能的失效原因：

(1)材料;

(2)加工設(shè)備;

(3)工藝;

(4)環(huán)境;

(5)人員;

(6)方法。

在材料類目下有兩項原因，在工藝和方法類目下各有一條原因。材料類目下的兩項原因是金鍍層厚度和所使用的助焊劑。金鍍層過厚導(dǎo)致焊點中金元素的重量百分比達到了規(guī)范IPC-AJ-820A所規(guī)定的3%到4%的金元素重量百分比上限。在手工焊接過程中，助焊劑的使用會使產(chǎn)品在焊接高溫下的持續(xù)時間更長。

工藝類目下的原因是比預(yù)期低的產(chǎn)出量，這就導(dǎo)致其返工量高于預(yù)期。方法類目下的原因是散熱不足的焊接安排，這樣的焊接安排導(dǎo)致手工焊接時的溫度更高。手工焊接溫度過高的結(jié)論是從已確定的含鎳金相(Au0.45Ni0.55)Sn4推導(dǎo)出來的。與化合物AuSn4常見的針尖狀或薄片狀結(jié)構(gòu)相比，圖16中標記為Spectrum 2所示的(Au0.45Ni0.55)Sn4的形態(tài)就顯得很不規(guī)則。

手工焊接溫度過高問題可以通過四項改進措施來修正：

1)使SMT連接器的表面金鍍層更薄;

2)使手工焊接用的助焊劑更適用于批量生產(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;

4)改進返工流程、采用散熱效果更好的焊接工藝。

目前，對手工焊接過程中焊接溫度過高問題的分析顯示，過高的焊接溫度不僅使金鍍層發(fā)生溶解，還讓鍍鎳層的很大一部分也發(fā)生了溶解?，F(xiàn)在，業(yè)界認可金錫化合物會導(dǎo)致焊點脆裂，并對金元素的重量百分比上限進行了規(guī)定，用以避免此類脆裂現(xiàn)象的發(fā)生;但對于金鎳錫化合物而言，業(yè)界目前尚未有類似規(guī)定。

6 案例研究4-表面硬金鍍層

6.1 案例研究4-數(shù)據(jù)

圖17顯示一枚表面鍍鎳后再鍍硬金的插針用成分為Sn63Pb37的焊料合金焊接到電路板的電鍍通孔中。圖18顯示在角焊縫處出現(xiàn)了一條裂紋。對焊點的橫截面進行分析，發(fā)現(xiàn)在角焊縫區(qū)域中插針上的金鍍層在焊接的過程中并未完全溶解。對一個類似的焊點進行更嚴格的檢查，發(fā)現(xiàn)開裂處特定地出現(xiàn)在插針上所金鍍層的殘留物和AuSn2金屬間化合物層之間，如圖19所示。在AuSn2旁邊是連續(xù)的AuSn4層。在整個角焊縫中都分布有典型的AuSn4化合物。

圖17 插針在電鍍通孔焊點中的橫截面視圖

圖18 與針腳分離狀況的角焊縫裂縫特寫圖

圖19 裂縫的微觀結(jié)構(gòu)顯示在角焊縫中有殘存的金鍍層、裂縫和AuSn2/AuSn4雙組分化合物層

表3所示的焊料和化合物的熔點作為參考資料十分有用。在焊接的過程中不會達到AuSn2的熔點。有人提出，高熔點的AuSn2化合物是通過固態(tài)擴散形成的。與此相對，在焊料仍處于熔融狀態(tài)時，金鍍層溶解并與錫產(chǎn)生反應(yīng)，形成AuSn4。在焊點凝固成型并冷卻下來的過程中，在金鍍層的殘留物與AuSn4之間發(fā)生了快速擴散。這種擴散形成了與金鍍層的殘留物相鄰的AuSn2層。注意：AuSn2只在金鍍層的殘留物和AuSn4之間產(chǎn)生，是AuSn2/AuSn4化合物界面層的一部分，并不散布在整個角焊縫中。

這樣的擴散減弱了金到AuSn2界面的強度，而因此被集中起來的角焊縫的收縮產(chǎn)生了足以導(dǎo)致角焊縫裂開的剝離應(yīng)力。鑒于鍍層可能會包含高達20%的空缺，這樣的固態(tài)擴散可能會使這樣的空缺進一步加劇，并因此導(dǎo)致鍍層強度下降或出現(xiàn)中空現(xiàn)象。此外，我們知道，固態(tài)擴散和反應(yīng)速率取決于表面鍍層在電鍍過程中所形成的應(yīng)力狀態(tài)。

表3 焊料和化合物熔點(℃)

6.2 案例研究4-結(jié)果

分析確定AuSn4在焊接的過程中形成，并與金鍍層的殘留物相接觸。在焊點固化后的冷卻過程中，在AuSn4和金鍍層的殘留物之間的界面上形成了新的金屬間化合物AuSn2，并因此導(dǎo)致開裂。形成AuSn2(及由此所致的開裂)的原因可能是硬金表面鍍層;這不僅因為這是金鍍層，同時還因為這樣的硬金鍍層含有鎳或類似的硬化元素。如表4所示，硬金的雜質(zhì)水平比軟金要高出3到10倍。盡管硬金中的雜質(zhì)也能以一定的速率在熔融的焊料中溶解，但其速度比金的溶解速度要慢得多。

如圖20所示，在230℃、組分為Sn60Pb40熔融的焊料浴中，金屬鎳的溶解速率為0.05微英寸每秒，金的溶解速率則高達100微英寸每秒。金的硬化降低了金的溶解速率，并在焊點固化后致使更多的/殘留的金鍍層形成，固體擴散出更多的金元素，形成了更多的AuSn2，并由此導(dǎo)致開裂。

表4 金硬度和純度的規(guī)范

圖20 熔融Sn60Pb40合金中徑向浸出率與金屬引線溫度關(guān)系

因此，針對硬金表面鍍層的解決方案就應(yīng)當(dāng)是以一種受控方式來讓插針蘸上熱熔的焊料以達到完全溶解硬金表面鍍層的目的。這樣，插針就有了一層可焊且基本不含金的表面鍍層，脆裂的問題也因此得到解決。在此項案例研究中所得到一個經(jīng)驗是，對焊點進行橫切面檢查以確認金鍍層在焊點成型的過程中完全溶解的試驗手段是很有幫助的。

特別是當(dāng)金鍍層的硬度和純度均未知時，這樣的橫切面檢查就顯得更重要了，因為要確保避免焊點的脆裂問題，有必要先確定在焊點成型的過程中金鍍層已完全溶解。

8 總結(jié)

J-STD-001F主張金鍍層脆裂應(yīng)當(dāng)被視作焊接制成電氣和電氣組件的一種缺陷，凸顯我們對以下內(nèi)容有清晰理解的需要：

(1)焊點脆裂的機理;

(2)經(jīng)過實踐驗證的解決方案;

(3)確立具體標準的可行性。

本論文闡述了針對焊點脆裂問題的四項案例研究;其中，三項使用了Sn63Pb37合金，一項使用了SnAg3.7合金。

本論文在每項案例研究中都給出了解決方案，并提出了這些解決方案對無鉛合金和標準的適用性問題。

在第一項案例研究中，一種金錫化合物被現(xiàn)實析出在原本不含金的表面安裝引線接頭上。覆有厚金鍍層的基底本應(yīng)被鍍鎳層完整包被住，但厚金鍍層的周邊并未被包被住，導(dǎo)致金在焊接的過程中大量溶解。這一案例研究闡釋了金溶解、接著形成AuSn4金屬間化合物、并向界面和焊點塊上析出的常見脆裂機理。簡單地重新設(shè)計鍍鎳包被層就能解決這一問題。

在第二項案例研究中，焊接在一起的表面貼裝連接器插針和基底焊盤都含有太多的金，焊料體積又太小，導(dǎo)致金的重量百分比過高。我們通過帶能量分散光譜的掃描電子顯微成像測量了焊點中的金含量，顯示不必總是得依靠計算來獲取這一數(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。驗證樣品的橫截面顯示試驗成功。

第一項和第二項案例研究顯示通常所致的脆裂機理，第三項和第四項案例研究則提供了一些不同的信息。

在第三項案例研究中，對表面貼裝連接器的焊接是手動進行的。在進行電氣試驗時，焊點有開裂現(xiàn)象。多功能小組進行了因果調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了四項成因。微觀結(jié)構(gòu)分析顯示手工焊接的溫度過高。金和鎳脆裂導(dǎo)致形成了與AuSn4形態(tài)不同的(Au0.45Ni0.55)Sn4金屬間化合物。我們通過配備更好的散熱結(jié)構(gòu)降低了焊接溫度。此外，我們還改進了熔劑，并使用了金鍍層更薄一些的連接器。

在第四項案例研究中，插針上的硬鍍金表面導(dǎo)致電鍍通孔應(yīng)用中的焊點發(fā)生開裂。橫截面圖像分析顯示在角焊縫區(qū)域中，并不是所有的金都自插針上溶解掉。AuSn4開始時附著于金鍍層的殘留物上。AnSn2在擴散后形成，導(dǎo)致產(chǎn)生AuSn2/AuSn4雙組分化合物層;該雙組份化合物層從金鍍層上脫落。與純金相比，硬化后的金在焊料中的溶解速率十分緩慢。對金的硬化降低了金的溶解速率，導(dǎo)致了焊點硬化后金鍍層的殘留和AuSn2的形成，并因此成為開裂的一項成因。

【作者簡介】

聞春國，譯審，西南科技大學(xué)外國語學(xué)院特聘產(chǎn)業(yè)教授。

編輯：hfy