無鉛焊接的脆弱性

　　摘 要
　　最新研究顯示，無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(shí)間承受比較高的工作溫度，和/或機(jī)械沖擊或劇烈振動(dòng)的產(chǎn)品來說，是非常值得關(guān)注的。
　　就鎳／金 (Ni/Au) 化學(xué)鍍和電鍍敷層而言，脆弱性問題以及相關(guān)的脆化機(jī)理早已為人熟知，而就穩(wěn)健性而論，在銅焊盤上無鉛焊接一直被視作''比較安全''。然而，最新觀測結(jié)果顯示，在銅焊盤上進(jìn)行無鉛焊接獲得的焊點(diǎn)中的組織結(jié)構(gòu)存在兩種或以上的脆化機(jī)理或途徑，每一種都會(huì)在焊點(diǎn)本體和焊盤表面的交界處導(dǎo)致脆性破裂。
　　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題帶來了希望。
　　在電子行業(yè)內(nèi)，雖然每家公司都必須追求各自的利益，但是在解決無鉛焊接的脆弱性及相關(guān)的可*性問題上，他們無疑有著共同的利害關(guān)系，特別是考慮到過渡至無鉛焊接技術(shù)的時(shí)間表甚短。
　　為了解決電子工業(yè)目前面臨的這個(gè)問題，''協(xié)會(huì)''觀念可能是非常適用的。協(xié)會(huì)的努力能夠保障其成員公司避免忽略關(guān)鍵性的現(xiàn)象或觀點(diǎn)，協(xié)會(huì)也可以充當(dāng)公共論壇，倡導(dǎo)合理的基礎(chǔ)設(shè)施改造，也可帶來解決這些問題所必需的解決方案。

　　引 言
　　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)，散熱問題、機(jī)械沖擊或振動(dòng)往往給焊接點(diǎn)帶來很大的負(fù)荷，不過，我們擁有專業(yè)的工藝知識(shí)，并能根據(jù)幾十年的豐富經(jīng)驗(yàn)評價(jià)和預(yù)測錫／鉛 (Sn-Pb) 焊接技術(shù)的結(jié)果。在過去幾年里，業(yè)界針對無鉛技術(shù)進(jìn)行了大量的開發(fā)工作。盡管我們現(xiàn)在的無鉛知識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如Sn-Pb合金系的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)水平，但是一般認(rèn)為現(xiàn)時(shí)較遍選用的無鉛(錫／銀／銅) (Sn-Ag-Cu)合金系可提供出色的、或可比的熱力學(xué)
　　抗疲勞強(qiáng)度，并在最壞條件下最低限度地降低焊接點(diǎn)的機(jī)械沖擊強(qiáng)度。這些說法雖然仍然是廣泛研究的主題，特別是在高溫和長時(shí)間的熱循環(huán)過程中，焊點(diǎn)顯微結(jié)構(gòu)演變所帶來的影響。然而，最新的報(bào)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(guān)系。事實(shí)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(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*性關(guān)注和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)問題。無論如何，脆變過程表現(xiàn)形式的可變性 (至少是Cu焊盤系統(tǒng))，可以解釋某些脆變機(jī)理，并且有望加以控制。
　　簡而言之，焊點(diǎn)上的機(jī)械應(yīng)力來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)在剪力或拉力測試期間最終成為最脆弱的連接點(diǎn)。
　　然而，這不一定是問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(yīng)用的固有問題，這些應(yīng)用中的焊點(diǎn)沖擊負(fù)荷是可以預(yù)見的。在這些情況下，焊點(diǎn)內(nèi)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(diǎn)的結(jié)構(gòu)自然容易出現(xiàn)沖擊強(qiáng)度問題。
　　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鍍膜焊盤有關(guān)的問題早已廣為人知， 但是最新觀察結(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焊盤在這一點(diǎn)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(jī)理全然不存在。事實(shí)上，Cu 通過界面上的 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1 、，因此常不被視為有任何實(shí)際的關(guān)注意義。
　　最近，有關(guān) Cu 焊盤上 Sn-Ag-Cu 焊點(diǎn)在高溫老化過程中機(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) [4]、[5]，這一后果似乎是由 Cu3Sn/Cu 界面的 Kirkendall 空洞生長而造成的 (圖1)，在標(biāo)準(zhǔn)老化條件 (20 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)際問題，至少對承受很高的工作溫度和機(jī)械沖擊或振動(dòng)的產(chǎn)品來說是值得關(guān)注的。事實(shí)上，顯而易見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)獲得其它研究證實(shí) [5]、[6]，不過，幸好這種脆化問題是可以避免的。環(huán)球儀器公司進(jìn)行的初步實(shí)驗(yàn)沒有再出現(xiàn)上述的空洞現(xiàn)象 [7]；而IBM [6] 所作的研究提出了焊接脆弱性與電鍍批次的相關(guān)性 (圖2)。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，所以在變換過程之前被''清理''出來而驟然充當(dāng)異源的空洞成核點(diǎn) [8]。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(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)無關(guān) [6]。在組裝以后立即進(jìn)行的焊球拉力測試顯示，在Cu焊盤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)注問題還有待于證實(shí)，因?yàn)榕c空洞現(xiàn)象不同的是，長時(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。
　　焊接銅的唯一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 [9] 指出，在化學(xué)鍍 Ni (P) 膜與 Sn-Pb 焊料之間，長時(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)生的問題。根據(jù)一些報(bào)告顯示，當(dāng)元器件上 Sn-Pb 焊點(diǎn)的對側(cè)焊盤采用銅焊盤，而有現(xiàn)成的銅補(bǔ)充給焊料時(shí)，脆化過程變得更為復(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 [10]。 使用Sn-Ag-Cu焊料焊接鎳預(yù)料會(huì)發(fā)生類似的問題，因?yàn)檫@種焊料合金中有現(xiàn)成的銅源。
　　所謂的''黑盤''(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''現(xiàn)象可算得上一個(gè)無處不在的術(shù)語，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，最主
　　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(chǎn)生的作用。''黑盤''通常指一種''時(shí)間零點(diǎn)''現(xiàn)象，反映在接點(diǎn)焊盤之上或附近出現(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''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)理好象涉及 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(gè)問題似乎都會(huì)惡化 [11]、[12]。
　　電解產(chǎn)生的鎳層上通常電解了一層金，采用這個(gè)方法的問題是制造公差要求將鍍金層的厚度控制在25 至 50微英寸 (0.63 至 1.3μ) 以上。

　　在產(chǎn)品使用過程中，這可能會(huì)因最大負(fù)荷等因素而出現(xiàn)問題。廣泛的研究 [13-19]表明，在回流過程中溶入于 Sn-Pb 焊料的金，竟會(huì)在以后的老化過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。多項(xiàng)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，但是為了量化對不同參數(shù)的影響，也許需要進(jìn)一步研究。Qualcomm 最近公布的跌落測試 (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，此問題曾通過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 [20]，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?？磥硎欠€(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)問題不一様。
　　總結(jié)
　　在過渡至無鉛焊接工藝時(shí)，電子工業(yè)看來面對著極大的焊點(diǎn)脆斷風(fēng)險(xiǎn)，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(jié)構(gòu)脆變的''黑盤''效應(yīng)和老化過程，似乎對 Sn-Ag-Cu 焊接比 Sn-Pb 焊接更為關(guān)鍵。無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)的脆化過程。然而，用Sn-Ag-Cu焊接鎳焊盤經(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程之后弱化Cu焊盤上的Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)，而且甚至在沒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、焊料與焊盤氧化和污染、焊盤結(jié)構(gòu)、焊膏量) 等因素也很重要。
　　總括來說，大多數(shù)脆化機(jī)理的可變性確實(shí)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。