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。
        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。
        脆變問題影響
        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。
        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終成為 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 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。
        近，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，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?？磥硎欠€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。
        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。