无铅焊点的恒温老化

会员3159

作者：Mercedes Chacon、Jorge A. Manriquez博士、Jose L. Mendoza、Brian Toleno博士

    在转向无铅时，除了焊料合金方面的变化之外，还需要用新的电路板表面处理。对锡铅组装件来说，最常见的表面处理是锡铅热空气焊料均涂层（HASL）。因为组装材料中不能含铅，所以许多材料正在从热空气焊料均涂层转向有机焊料保护剂（OSP）、浸银（ImAg）、浸锡（ImSn）或者化学镀镍浸金（ENIG）。
    由于化学上的这些变化必需防止新的焊接合金和工艺可能会对焊点可靠性造成的有害影响。电子行业普遍认为，焊点中最薄弱的环节是焊料与基片之间的界面。不仅如此，在界面上一层薄的而且连续的金属互化物（IMC）保证了焊点的可靠和耐用。不过，从统计数据看，如果界面上的金属互化物层比较厚，比较容易引起焊点开裂并且使裂缝扩大，这可能会降低焊点的强度，会减少有延展性材料的体积。由于整个焊料连接面上热膨胀系数（CTE）是不同的，因而会产生张力，因为有延展性材料体积减少，承受张力的能力将下降。因此，在长期老化过程中，微结构变化的速度必须很慢，而且微结构的变化不会引起焊点的整体机械强度很快下降。

                               
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图1在恒温老化研究中使用的试验电路板

    本文详细描述了界面上和表面安装焊点中金属互化物的形成，焊点是用SAC305合金（锡96.5%、银3.0%、铜0.5%）和Sn63Pb37（锡63%、铅37%）两种合金在表面经过有机焊料保护剂、浸银、浸锡和ENIG处理的印刷电路板上焊接形成的。这些测试电路板用了0603和0402电阻器、QFP和间距为0.5mm的BGA元件，并且根据菊琏电路分开来布置。这些电路板在125℃的恒温下经过48、192、432和768个小时的老化处理；研究了各种金属互化物的生长情况。金属互化物的化学特性和形成的微结构的形态与焊料按照焊料和表面处理分别作了记录。整个金属互化物的生长速度与表面处理有关，但不是很明显。对于不同合金和印刷电路板不同表面处理，形成的金属互化物的厚度不同。金属互化物的整体厚度为2至6祄。此外，老化也会引起焊点出现结构性损坏。

    以往关于无铅组装的研究表明，影响焊点中焊锡与焊盘之间的界面上金属互化物形成的化学元素仍然是锡。SAC或者Sn0.7Cu焊料在镀了锡或者OSP的焊盘上进行再流焊时，留在界面上的主要化合物是一层Cu6Sn5[9-12]。延长在高温下的停留时间可能会引起铜和锡穿过界面相互扩散，在紧挨着焊盘的地方形成一层富铜的Cu3Sn。SAC焊料中含有少量的银，对于界面上形成金属互化物的过程中似乎没有起到什么作用，当它与锡发生快速反应时，会形成Ag3Sn微粒、均匀地分布在整个焊点上。

                               
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图2 这个曲线是无铅焊料系统再流焊温度曲线，在生产供恒温老化研究使用的样品时使用这条温度曲线。最高温度和再流焊时间都经过优化，能够达到最理想的再流焊效果。

    用SAC合金在镀银焊盘上焊接时，同样会产生Cu6Sn5和Cu3Sn，这与焊盘表面镀锡是一样的。不过，观察到Ag3Sn微粒会从铜锡金属互化物生长到焊点中去。据说这些Ag3Sn微粒是在再流焊过程中形成的，会随着进一步老化而消失，它们对界面微结构的影响微乎其微。镀在焊盘表面上的银会溶解在液态焊料中，最终在焊料内部形成Ag3Sn微粒。

    SAC焊料在经过ENIG镀敷的表面进行再流焊时，据说金会迅速溶解在富锡的液态焊料中，就像镀锡焊盘上形成Cu3Sn那样，会形成一层Ni3Sn4。溶解在焊料中的金与锡相互作用形成大片的AuSn4，它们分布在靠近界面的地方。

    关于金属互化物的生长速度，研究表明，在125℃下老化时间达到400小时，发现界面上的IMC层厚度均达到4-8祄。这些研究还说明，在观察到的金属互化物中，连续而均匀的铜锡层的生长速度最慢。与此相反，在镀银表面形成的那层金属互化物在生长时形状是无规则的。研究焊点和界面微结构的变化是非常重要的，这是因为，在全面研究可靠性（例如热循环）时通常观察到的可能的有害影响，可以用这种简单的办法观察到。

样品的准备和验收
    这项研究使用的试验电路板如图1所示。这块SMT电路板能够贴装八个间距为0.5mm的CABGA、两个间距为0.5mm的QFP和由五十个0603和0402电阻器，与一个32脚的插装（PTH）连接器相连，呈菊花链状。在这项研究中使用的所有元件的表面处理都是无铅的。根据实验设计（表1），研究了四种电路板表面镀层：0.5祄厚的有机焊料保护剂、20祄厚的浸银、40祄厚的浸锡和200祄厚的ENIG。用来组装测试电路板的焊料有传统的锡铅合金（Sn63Pb37）和SAC305无铅焊料。图2是用来生产供无铅系统研究使用的样品的再流焊温度曲线。无论是无铅样品还是锡铅样品，再流焊窗口（峰值温度和再流时间）都经过优化，对含有四种不同元件的电路板进行再流焊的效果是最好的。表2是用来生产和验收合格试验样品的实际工艺环境和标准。根据实验设计的要求，需要在一条自动表面安装生产线中组装二十四块测试电路板（图3）。根据IPC标准来检验这些组装电路板的焊缝湿润情况和几何形状。然后，再把这些电路板放进老化炉内，把炉温调到125℃（±3℃），接着，八块电路板为一组（两种化学材料，四种表面处理），分组进行老化处理，当老化时间分别达到48小时、192小时、432小时和768小时之后，再把各组电路板从老化炉中取出来。

                               
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图3在这项研究中使用的二十四个样品。

    每一块试验板分别对应八个实验条件中的一个，在切开后用树脂固定，形成的断面适合于测量焊盘界面上形成的IMC厚度。然后，把它打磨、抛光，并且在断面上涂敷一层碳，用扫描电子显微镜（SEM-EDX）进行分析。如果有需要，在抛光表面用3%盐酸/97%酒精的溶液处理。在八种不同的实验条件下，四种不同的元件都按照相同的办法来处理。用20 KeV的反射电子设备，校准好焦距，达到最理想的化学物相分辨率，来分析微结构，在扫描电子显微镜下测量IMC的厚度。用X射线能量色散分光计分析仪（EDX）进行化学分析。

金属互化物的生长
    图4到图7是在八种条件下、在焊盘界面形成的IMC层生长情况。图中的数字是形成的IMC层的平均厚度，不考虑它是由一种还是由几种不同的化学材料构成IMC层。因为IMC是脆的，在一定程度上会影响界面的可靠性，整体厚度可以说明这种化合物层引起的可靠性下降。

    在各种条件下采集到的数据说明，用锡铅合金焊接的焊点IMC的生长速度非常慢，这与焊盘表面处理无关。出现这种情况的原因可能是，当存在相当大量非参与元素（例如铅）时，化学元素相互扩散需要越来越多的活化能，这种情况与主要由锡构成的SAC合金正好相反。因为大部分IMC层都含有锡，所以在含铅合金和无铅焊料之间锡扩散活化能量的差别是IMC生长的主要原因。

                               
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表1实验设计（DOE）参数

    实验结果还说明经过ENIG表面处理的锡铅焊点上IMC层的生长速度比其他任何材料都要慢。这与之前的报告是一致的；不过，如果焊料中不再含有铅，那么锡和镍之间的相互扩散活化能会大量减少，生长速度也将随之提高。不论是焊点是哪种化学成分，也不论它的体积，在125℃下老化时间达到768小时，整个IMC的厚度在2祄至6祄之间，这也与以前的结论一致。
IMC的形成和变化
    在界面上形成的IMC，其形态毫无疑问地取决于焊料与表面处理的化学性质。例如，对于锡铅与OSP表面处理，Cu6Sn5是平滑而连续的。与此相反，不规则的镍锡层和镍锡金层结合起来，当老化时间达到432个小时之后，在SAC305与表面经过 ENIG处理的BGA焊点的界面上形成一层IMC。
    我们发现一种奇特的富镍类似金属互化物带状物，它穿过整个BGA焊球、接近焊料与元件的界面。虽然这些带状物是在进行恒温老化之前就存在于焊球中，但是它们在老化工艺中变得更清晰，而且很显然，它们更容易引起开裂从而造成损坏。我们在一些实验中发现有平的裂缝。

结论
    在印刷电路板焊盘上的电镀表面处理的化学性质会影响在相关界面上IMC的形成。Pb37Sn63焊料在表面镀锡和OSP的焊盘上，在125℃的温度下长期老化后，容易形成连续而且均匀的一层Cu6Sn5 IMC。对于曝露在空气中的焊点，例如0402元件、0603元件和QFP焊点，的确是这样的。在用SAC305焊料在表面镀锡或OSP的基片（Cu6Sn5）上来焊接相同的元件，再流焊时，会形成比较规则的一层IMC；SAC305在ENIG基片或者银基片上焊接时，IMC层明显地会变得很不规则。

                               
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图4-7 0402和0603 电阻器、QFP和BGA的焊盘界面上IMC的生长速度（在温度为125℃、老化432个小时）。

    不论焊盘是用何种表面处理，也不论形成的IMC是哪种类型，与Pb37Sn63锡铅焊料相比，使用SAC305无铅焊料，IMC层的生长速度比较快 。不过，在测量焊料与焊盘的界面上形成的IMC层（不论是类型和大小）时，在125℃下经过高达768个小时的恒温老化之后，总的平均厚度增长不超过6μm。因此，当我们把锡铅、SAC305焊料和浸锡、浸银、OSP和ENIG表面处理结合起来使用时，没有观察到对易脆的IMC层对产生有害的影响。
    在125℃下恒温老化会造成一些结构性损坏（破裂），特别是位于特殊位置上的BGA焊点。那些位置是Pb37Sn63焊料和ENIG表面处理焊盘的界面，在BGA的焊料与元件的界面附近形成类似金属互化物的富镍/铜/锡带状物。正在进行的125℃/-55℃热循环研究将告诉我们所观测到的裂缝对焊点和整个组装件可靠性可能产生的影响。

作者简介
Mercedes Chacon是Tecn-ologico de Monterrey公司电子制造实验室助理工程师，电子邮件： mchacon@itesm.mx。Jorge A. Manriquez博士是Tecnologico de Monterrey公司电子制造实验室的教授和负责人，电子邮件：jmanriquez@itesm.mx；Jose L. Mendoza是Henkel电子集团公司应用工程师，电子邮件：joseluis.mendoza@mx.henkel.com。Brian Toleno博士是Henkel电子集团公司应用工程小组负责人，电子邮件：brian.toleno@us.henkel.com。

会员342509

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