研究顯示，無(wú)鉛焊接可能是很脆弱的，特別是在沖擊負(fù)載 下容易出現(xiàn)過(guò)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(jī)理當(dāng)然會(huì)因焊盤(pán)的表面處理而異，但是常用的焊盤(pán)鍍膜似乎都 不能始終如一地免受脆化過(guò)程的影響，這對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間承受比較高的工 作溫度和機(jī)械沖擊或劇烈振動(dòng)的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，是非常值得關(guān)注的。
        由于常用的可焊性表面敷層都伴隨著脆化的風(fēng)險(xiǎn)，所以電子工業(yè) 當(dāng)前面臨一些非常困難的問(wèn)題。然而，這些脆化機(jī)理的表現(xiàn)形式存在 可變性，故為避免或控制一些問(wèn)題帶來(lái)了希望。
        在電子行業(yè)內(nèi)，雖然每家公司都必須追求各自的利益，但是在解 決無(wú)鉛焊接的脆弱性及相關(guān)的可靠性問(wèn)題上，他們無(wú)疑有著共同的利 害關(guān)系，特別是考慮到過(guò)渡至無(wú)鉛焊接技術(shù)的時(shí)間表甚短。
        脆變問(wèn)題影響
        微電子封裝工業(yè)依賴焊接點(diǎn)在各色各樣的組件之間形成穩(wěn)健的機(jī) 械連接和電氣互聯(lián)，散熱問(wèn)題、機(jī)械沖擊或振動(dòng)往往給焊接點(diǎn)帶來(lái)很 大的負(fù)荷。在過(guò)去幾年里，業(yè)界針對(duì)無(wú)鉛技術(shù)進(jìn)行了大量的開(kāi)發(fā)工作。
        的報(bào)告提出了一些出乎意料的建議：脆變問(wèn)題與Cu和Ni/ Au電鍍的焊盤(pán)表面都有關(guān)系。事實(shí)上，沒(méi)有任何常用的可焊性表面 敷層能夠一直免受脆變問(wèn)題的影響。
        隨著無(wú)鉛焊接技術(shù)的即將實(shí)施，這種境況可能在微電子工業(yè)引起 嚴(yán)重的可靠性關(guān)注和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。無(wú)論如何，脆變過(guò)程表現(xiàn)形式的 可變性(至少是Cu焊盤(pán)系統(tǒng))，可以解釋某些脆變機(jī)理，并且有望加以 控制。
        簡(jiǎn)而言之，焊點(diǎn)上的機(jī)械應(yīng)力來(lái)源于插件板上施加的外力或焊接 結(jié)構(gòu)內(nèi)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(diǎn)內(nèi)的應(yīng)力。即使是一般的熱循環(huán)，通常也要求若干焊點(diǎn)能 經(jīng)受得住在每次熱循環(huán)中引起蠕變的負(fù)荷，因此，焊盤(pán)上金屬間化合 物的結(jié)構(gòu)必須經(jīng)受得住焊料蠕變帶來(lái)的負(fù)荷。在外加機(jī)械負(fù)荷的情況 下，尤其是系統(tǒng)機(jī)械沖擊引起的負(fù)荷，焊料的蠕變應(yīng)力總是比較大， 原因是這種負(fù)荷對(duì)焊點(diǎn)施加的變形速度比較大。因此，即使是足以承 受熱循環(huán)的金屬間化合物結(jié)構(gòu)，也會(huì)在剪力或拉力測(cè)試期間終成為 脆弱的連接點(diǎn)。
        然而，這不一定是問(wèn)題的直接決定性因素，因?yàn)橥饧訖C(jī)械負(fù)荷往 往能夠在設(shè)計(jì)上加以限制，使之不會(huì)引起太大的焊料蠕變，或者至少 不會(huì)在焊接界面引起斷裂。盡管如此，在這些測(cè)試中，從貫穿焊料的 裂紋變成焊盤(pán)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(wú)明顯塑性變形的焊接是許多應(yīng)用的固有 問(wèn)題，這些應(yīng)用中的焊點(diǎn)沖擊負(fù)荷是可以預(yù)見(jiàn)的。在這些情況下，焊 點(diǎn)內(nèi)的能量幾乎沒(méi)有多少能夠在斷裂過(guò)程中散逸出去，因此焊點(diǎn)的結(jié) 構(gòu)自然容易出現(xiàn)沖擊強(qiáng)度問(wèn)題。
        在某些應(yīng)用中，一些脆變機(jī)理即使在CTE失配應(yīng)力條件下也可以 令焊點(diǎn)弱化，導(dǎo)致過(guò)早的焊點(diǎn)失效。事實(shí)上，即使在很小的負(fù)載下， 金屬間化合物中持續(xù)發(fā)展的空洞也會(huì)引起故障。
        盡管與焊接Ni/Au鍍膜焊盤(pán)有關(guān)的問(wèn)題早已廣為人知，但是 觀察結(jié)果卻可能反映出如下所述的新現(xiàn)象。人們以往一直認(rèn)為涂 有OSP保護(hù)層、浸銀、浸錫或焊料的Cu焊盤(pán)在這一點(diǎn)上是“比較安全” 的，但即使對(duì)Sn-Pb焊料而言，這并不是表示退化機(jī)理全然不存 在。事實(shí)上，Cu通過(guò)界面上的Cu3Sn和Cu6Sn5金屬間化合物薄層迅 速擴(kuò)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(xué)顯微 鏡也看不見(jiàn)，因此常不被視為有任何實(shí)際的意義。
        近，有關(guān)Cu焊盤(pán)上Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)在高溫老化過(guò)程中機(jī)械 強(qiáng)度快速減弱的多項(xiàng)報(bào)告，在微電子封裝領(lǐng)域引起了極大的轟動(dòng)，這 一后果似乎是由Cu3Sn/Cu界面的Kirkendall空洞生長(zhǎng)而造成的，在 標(biāo)準(zhǔn)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(gè)明顯的實(shí)際問(wèn)題，至少對(duì)承受很高的工作溫度和機(jī)械沖 擊或振動(dòng)的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是值得關(guān)注的。事實(shí)上，顯而易見(jiàn)的溫度依賴性 或許使我們想到，即使在相當(dāng)適宜的工作條件下，產(chǎn)品也有可能在幾 年之內(nèi)發(fā)生故障。該現(xiàn)象已經(jīng)獲得其他研究證實(shí)，不過(guò)，幸好這種脆 化問(wèn)題是可以避免的。環(huán)球儀器公司進(jìn)行的初步實(shí)驗(yàn)沒(méi)有再出現(xiàn)上述 的空洞現(xiàn)象，而IBM所作的研究提出了焊接脆弱性與電鍍批次的相關(guān)性。 這些調(diào)查結(jié)果可能暗示雜質(zhì)的影響。在一些情況中已經(jīng)證明污染大大 增加Kirkendall空洞的形成，因?yàn)殡s質(zhì)在金屬間相的溶解度較低，所 以在變換過(guò)程之前被“清理”出來(lái)而驟然充當(dāng)異源的空洞成核點(diǎn)。無(wú) 論如何，不可排除的脆化因素還有亞微觀孔隙或氣泡，它們?cè)诨亓鬟^(guò) 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(gè)金屬間化合物界面發(fā)生脆變的故障現(xiàn) 象，該現(xiàn)象似乎與Kirkendall空洞確實(shí)無(wú)關(guān)。在組裝以后立即進(jìn)行 的焊球拉力測(cè)試顯示，在Cu焊盤(pán)的金屬間化合物范圍內(nèi)出現(xiàn)了界面缺 陷，而且這一現(xiàn)象總是由于熱老化而加劇。這究竟是否一個(gè)有實(shí)際意 義的關(guān)注問(wèn)題還有待于證實(shí)，因?yàn)榕c空洞現(xiàn)象不同的是，長(zhǎng)時(shí)間的老 化不一定令抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步降低。在這個(gè)現(xiàn)象中，同樣發(fā)現(xiàn)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(bào)告指出，在化學(xué)鍍Ni(P)膜 與Sn-Pb焊料之間，長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)也會(huì)在Ni表面的附近形成Kirkendall 空洞。但是與銅相比，這似乎是一個(gè)不太可能發(fā)生的問(wèn)題。根據(jù)一些 報(bào)告顯示，當(dāng)元器件上Sn-Pb焊點(diǎn)的對(duì)側(cè)焊盤(pán)采用銅焊盤(pán)，而有 現(xiàn)成的銅補(bǔ)充給焊料時(shí)，脆化過(guò)程變得更為復(fù)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(yù)料會(huì)發(fā)生類似的問(wèn)題，因?yàn)檫@種焊料 合金中有現(xiàn)成的銅源。
        所謂的“黑盤(pán)”(black pad)現(xiàn)象是一個(gè)獲廣泛認(rèn)同與脆化 有關(guān)的獨(dú)特現(xiàn)象，特別是關(guān)系到化鎳浸金(ENIG)。事實(shí)上，“黑 盤(pán)”現(xiàn)象可算得上一個(gè)無(wú)處不在的術(shù)語(yǔ)，它涉及的許多與發(fā)生在 Ni(P)/Ni3Sn4界面上或附近的焊點(diǎn)斷裂有關(guān)的現(xiàn)象，主要的是指 在浸金過(guò)程中，由于過(guò)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(chǎn)生的作用。“黑盤(pán)”通常 指一種“時(shí)間零點(diǎn)”現(xiàn)象，反映在接點(diǎn)焊盤(pán)之上或附近出現(xiàn)明顯的脆 弱性，或僅僅降低機(jī)械耐疲勞強(qiáng)度。不管怎樣，有害的“黑盤(pán)”效應(yīng) 也可能關(guān)聯(lián)著另一種脆化機(jī)理觀點(diǎn)：根據(jù)這種機(jī)理，看上去很完美的 金屬間化合物結(jié)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化。這第二個(gè)脆化機(jī)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(guò)渡Sn-Ag -Cu焊料，這個(gè)問(wèn)題似乎都會(huì)惡化。
        電解產(chǎn)生的鎳層上通常電解了一層金，采用這個(gè)方法的問(wèn)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(chǎn)品使用過(guò)程中，這可能會(huì)因負(fù)荷等因素而出現(xiàn)問(wèn)題。廣 泛的研究表明，在回流過(guò)程中溶入于Sn-Pb焊料的金，竟會(huì)在以 后的老化過(guò)程中逐漸返回鎳表面，并導(dǎo)致該表面的Ni3Sn4金屬間化合物 上積聚一層(Ni，Au)Sn4。如此產(chǎn)生的界面，其機(jī)械強(qiáng)度是不穩(wěn)定 的，而且隨(Ni，Au)Sn4厚度的增加而繼續(xù)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(wěn)定焊點(diǎn)中 Ni-Au-Sn三元沉淀物的金，但是為了量化對(duì)不同參數(shù)的影響，也許 需要進(jìn)一步研究。Qualcomm近公布的跌落測(cè)試(drop testing) 觀察中，發(fā)現(xiàn)Ni/Au鍍層上的Sn-Ag-Cu CSP焊點(diǎn)在“時(shí) 間零點(diǎn)”斷裂，此問(wèn)題曾通過(guò)降低回流溫度和縮短回流時(shí)間得以緩解 或消除。
        這些報(bào)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(jù)另一些試驗(yàn)顯示，在(Ni，Cu)3Sn4表面上涂鍍一層厚度相同的(Cu，Ni)6Sn5 通常看來(lái)是穩(wěn)定的。
        盡管如此，這個(gè)現(xiàn)象似乎與已經(jīng)非常確實(shí)的金相關(guān)問(wèn)題不一。
        控制脆化過(guò)程
        在過(guò)渡至無(wú)鉛焊接工藝時(shí)，電子工業(yè)看來(lái)面對(duì)著極大的焊點(diǎn)脆斷 風(fēng)險(xiǎn)，而且所有常用的焊盤(pán)表面鍍膜均無(wú)一幸免。
        在ENIG焊盤(pán)上引起金屬間化合物結(jié)構(gòu)脆變的“黑盤(pán)”效應(yīng)和老化 過(guò)程，似乎對(duì)Sn-Ag-Cu焊接比Sn-Pb焊接更為關(guān)鍵。無(wú)鉛焊 接以避免或減少另一個(gè)與Ni/Au電鍍敷層中Au厚度增大有關(guān)的脆 化過(guò)程。然而，用Sn-Ag-Cu焊接鎳焊盤(pán)經(jīng)常導(dǎo)致Ni3Sn4層上積聚(Cu，Ni)6Sn5。 如此形成的一些結(jié)構(gòu)在用Sn-Ag-Cu焊接合金進(jìn)行裝配之 后會(huì)立即脆斷，而且在某些情況下即使采用Sn-Pb焊料，(Cu，Ni)6Sn5 結(jié)構(gòu)老化也會(huì)導(dǎo)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(guò)程之后弱化Cu 焊盤(pán)上的Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)，而且甚至在沒(méi)有老化的條件下也發(fā)現(xiàn) 了一種表面上獨(dú)立的脆化機(jī)理，當(dāng)然這種脆變繼續(xù)隨著老化而趨于惡 化。
        初步結(jié)果提示了脆化與電鍍批次的相關(guān)性，但是預(yù)計(jì)材料(如焊 料、助焊劑、焊膏、焊盤(pán)敷層、電鍍參數(shù))和工藝參數(shù)(如回流曲線和 環(huán)境、焊料與焊盤(pán)氧化和污染、焊盤(pán)結(jié)構(gòu)、焊膏量)等因素也很重要。
        總括來(lái)說(shuō)，大多數(shù)脆化機(jī)理的可變性確實(shí)帶來(lái)了希望，至少有一 些脆化過(guò)程也許是可以避免或控制的。