SMT焊接中冷焊/假焊/空焊/虛焊的區(qū)別

在現(xiàn)今的SMT工藝中，大多廠家面對著不同的SMT工藝不良，比如錫珠、殘留、假焊、冷焊、空焊、虛焊……特別是后面四種，許多朋友都無法分辨他們之間的區(qū)別，因?yàn)檫@四種不良看起來好像都一樣，下面就為大家解釋下這四種不良的定義。

1、假焊，是指表面上好像焊住了，但實(shí)際上并沒有焊上。有時(shí)用手一拔，引線就可以從焊點(diǎn)中拔出。

2、虛焊，是焊點(diǎn)處只有少量的錫焊住，造成接觸不良，時(shí)通時(shí)斷。虛焊與假焊都是指焊件表面沒有充分鍍上錫層，焊件之間沒有被錫固住，是由于焊件表面沒有清除干凈或焊劑用得太少所引起的。

3、空焊，是焊點(diǎn)應(yīng)焊而未焊。錫膏太少、零件本身問題、置件位置、印錫后放置時(shí)間過長…等會(huì)造成空焊。

4、冷焊，是在零件的吃錫接口沒有形成吃錫帶，（即焊錫不良）。流焊溫度太低、流焊時(shí)間太短、吃錫性問題…等會(huì)造成冷焊。

假焊：是指表面上好像焊住了，但實(shí)際上并沒有焊上。有時(shí)用手一拔，引線就可以從焊點(diǎn)中拔出。

焊接的強(qiáng)度不夠，焊接在PCB上的零部件容易被碰撞脫落，同時(shí)PCB與零部件均為完好無損。

合金物

IMC系Intermetalliccompound之縮寫，筆者將之譯為”介面合金共化物”，可以簡稱“介金屬”。

IMC廣義上說是指某些金屬相互緊密接觸之介面間，會(huì)產(chǎn)生一種原子遷移互動(dòng)的行為，組成一層類似合金的”化合物”，并可寫出分子式。在焊接領(lǐng)域的狹義上是指銅錫、金錫、鎳錫及銀錫之間的共化物。其中尤以銅錫間之良性Cu6Sn5（EtaPhase）及惡性Cu3Sn（EpsilonPhase）最為常見，對焊錫性及焊點(diǎn)可靠度（即焊點(diǎn)強(qiáng)度）兩者影響最大，特整理多篇論文之精華以詮釋之。

一、定義

能夠被錫鉛合金焊料（或稱焊錫Solder）所焊接的金屬，如銅、鎳、金、銀等，其焊錫與被焊底金屬之間，在高溫中會(huì)快速形成一薄層類似”錫合金”的化合物。此物起源于錫原子及被焊金屬原子之相互結(jié)合、滲入、遷移、及擴(kuò)散等動(dòng)作，而在冷卻固化之后立即出現(xiàn)一層薄薄的”共化物”，且事后還會(huì)逐漸成長增厚。此類物質(zhì)其老化程度受到錫原子與底金屬原子互相滲入的多少，而又可分出好幾道層次來。這種由焊錫與其被焊金屬介面之間所形成的各種共合物，統(tǒng)稱IntermetallicCompound簡稱IMC，本文中僅討論含錫的IMC，將不深入涉及其他的IMC。

二、一般性質(zhì)

由于IMC曾是一種可以寫出分子式的”準(zhǔn)化合物”，故其性質(zhì)與原來的金屬已大不相同，對整體焊點(diǎn)強(qiáng)度也有不同程度的影響，首先將其特性簡述于下：

◎IMC在PCB高溫焊接或錫鉛重熔（即熔錫板或噴錫）時(shí)才會(huì)發(fā)生，有一定的組成及晶體結(jié)構(gòu)，且其生長速度與溫度成正比，常溫中較慢。一直到出現(xiàn)全鉛的阻絕層（Barrier）才會(huì)停止。

◎IMC本身具有不良的脆性，將會(huì)損及焊點(diǎn)之機(jī)械強(qiáng)度及壽命，其中尤其對抗勞強(qiáng)度（FatigueStrength）危害最烈，且其熔點(diǎn)也較金屬要高?！蛴捎诤稿a在介面附近得錫原子會(huì)逐漸移走，而與被焊金屬組成IMC，使得該處的錫量減少，相對的使得鉛量之比例增加，以致使焊點(diǎn)展性增大（Ductillity）及固著強(qiáng)度降低，久之甚至帶來整個(gè)焊錫體的松弛。

◎一旦焊墊商原有的熔錫層或噴錫層，其與底銅之間已出現(xiàn)”較厚”間距過小的IMC后，對該焊墊以后再續(xù)作焊接時(shí)會(huì)有很大的妨礙；也就是在焊錫性（Solderability）或沾錫性（Wettability）上都將會(huì)出現(xiàn)劣化的情形。

◎焊點(diǎn)中由于錫銅結(jié)晶或錫銀結(jié)晶的滲入，使得該焊錫本身的硬度也隨之增加，久之會(huì)有脆化的麻煩。◎IMC會(huì)隨時(shí)老化而逐漸增厚，通常其已長成的厚度，與時(shí)間大約形成拋物線的關(guān)系，

三、焊錫性與表面能

若純就可被焊接之底金屬而言，影響其焊錫性（Solderability）好壞的機(jī)理作用甚多，其中要點(diǎn)之一就是”表面自由能”（SurfaceFreeEnergy，簡稱時(shí)可省掉Free）的大小。也就是說可焊與否將取決于：

（1）被焊底金屬表面之表面能（SurfaceEnergy），（2）焊錫焊料本身的”表面能”等二者而定。

凡底金屬之表面能大于焊錫本身之表面能時(shí)，則其沾錫性會(huì)非常好，反之則沾錫性會(huì)變差。也就是說當(dāng)?shù)捉饘僦砻婺軠p掉焊錫表面能而得到負(fù)值時(shí)，將出現(xiàn)縮錫（Dewetting），負(fù)值愈大則焊錫愈差，甚至造成不沾錫（Non-Wetting）的惡劣地步。

新鮮的銅面在真空中測到的”表面能”約為1265達(dá)因/公分，63/37的焊錫加熱到共熔點(diǎn)（EutecticPoint183℃）并在助焊劑的協(xié)助，其表面能只得380達(dá)因/公分，若將二者焊一起時(shí)，其沾錫性將非常良好。然而若將上述新鮮潔凈的銅面刻意放在空氣中經(jīng)歷2小時(shí)后，其表面能將會(huì)遽降到25達(dá)因/公分，與380相減不但是負(fù)值（-355），而且相去甚遠(yuǎn)，焊錫自然不會(huì)好。因此必須要靠強(qiáng)力的助焊劑除去銅面的氧化物，使之再活化及表面能之再次提高，并超過焊錫本身的表面能時(shí)，焊錫性才會(huì)有良好的成績。

四、錫銅介面合金共化物的生成與老化

當(dāng)熔融態(tài)的焊錫落在潔銅面的瞬間，將會(huì)立即發(fā)生沾錫（Wetting俗稱吃錫）的焊接動(dòng)作。此時(shí)也立即會(huì)有錫原子擴(kuò)散（Diffuse）到銅層中去，而銅原子也同時(shí)會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入焊錫中，二者在交接口上形成良性且必須者Cu6Sn5的IMC，稱為η-phase（讀做Eta相），此種新生”準(zhǔn)化合物”中含錫之重量比約占60%。若以少量的銅面與多量焊錫遭遇時(shí)，只需3-5秒鐘其IMC即可成長到平衡狀態(tài)的原度，如240℃的0.5μm到340℃的0.9μm。然而在此交會(huì)互熔的同時(shí)，底銅也會(huì)有一部份熔進(jìn)液錫的主體錫池中，形成負(fù)面的污染。

（a）最初狀態(tài)：當(dāng)焊錫著落在清潔的銅面上將立即有η-phaseCu6Sn5生成。

（b）錫份滲耗期：焊錫層中的錫份會(huì)不斷的流失而滲向IMC去組新的Cu6Sn5，而同時(shí)銅份也會(huì)逐漸滲向原有的η-phase層次中而去組成新的Cu3Sn。此時(shí)焊錫中之錫量將減少，使得鉛量在比例上有所增加，若于其外表欲再行焊接時(shí)將會(huì)發(fā)生縮錫。

（c）多鉛之阻絕層：當(dāng)焊錫層中的錫份不斷滲走再去組成更厚的IMC時(shí)，逐漸使得本身的含鉛比例增加，最后終于在全鉛層的擋路下阻絕了錫份的滲移。

（d）IMC的曝露：由于錫份的流失，造成焊錫層的松散不堪而露出IMC底層，而終致到達(dá)不沾錫的下場（Non-wetting）。

高溫作業(yè)后經(jīng)長時(shí)老化的過程中，在Eta-phase良性IMC與銅底材之間，又會(huì)因銅量的不斷滲入Cu6Sn5中，而逐漸使其局部組成改變?yōu)镃u3Sn的惡性ε-phase（又讀做Epsilon相）。其中銅量將由早先η-phase的40%增加到ε-phase的66%。此種老化劣化之現(xiàn)象，隨著時(shí)間之延長及溫度之上升而加劇，且溫度的影響尤其強(qiáng)烈。由前述”表面能”的觀點(diǎn)可看出，這種含銅量甚高的惡性ε-phase，其表面能的數(shù)字極低，只有良性η-phase的一半。因而Cu3Sn是一種對焊錫性頗有妨礙的IMC。

然而早先出現(xiàn)的良性η-phaseCu6Sn5，卻是良好焊錫性必須的條件。沒有這種良性Eta相的存在，就根本不可能完成良好的沾錫，也無法正確的焊牢。換言之，必需要在銅面上首先生成Eta-phase的IMC，其焊點(diǎn)才有強(qiáng)度。否則焊錫只是在附著的狀態(tài)下暫時(shí)冷卻固化在銅面上而已，這種焊點(diǎn)就如同大樹沒有根一樣，毫無強(qiáng)度可言。錫銅合金的兩種IMC在物理結(jié)構(gòu)上也不相同。其中惡性的ε-phase（Cu3Sn）常呈現(xiàn)柱狀結(jié)晶（ColumnarStructure），而良性的η-phase（Cu6Sn5）卻是一種球狀組織（Globular）。下圖8此為一銅箔上的焊錫經(jīng)長時(shí)間老化后，再將其彎折磨平拋光以及微蝕后，這在SEM2500倍下所攝得的微切片實(shí)像，兩IMC的組織皆清晰可見，二者之硬度皆在500微硬度單位左右。

在IMC的增厚過程中，其結(jié)晶粒子（Grains）也會(huì)隨時(shí)在變化。由于粒度的變化變形，使得在切片畫面中量測厚度也變得比較困難。一般切片到達(dá)最后拋光完成后，可使用專門的微蝕液（NaOH50/gl，加1，2-Nitrphenol35ml/l，70℃下操作），并在超聲波協(xié)助下，使其能咬出清晰的IMC層次，而看到各層結(jié)晶解里面的多種情況。

將造成縮錫或不沾錫較低只有Eta的一半，非常有趣的是，單純Cu6Sn5的良性IMC，雖然分子是完全相同，但當(dāng)生長環(huán)境不同時(shí)外觀卻極大的差異。如將清潔銅面熱浸于熔融態(tài)的純錫中，此種錫量與熱量均極度充足下，所生成的Eta良性IMC之表面呈鵝卵石狀。但若改成錫鉛合金（63/37）之錫膏與熱風(fēng)再銅面上熔焊時(shí)，亦即錫量與熱量不太充足之環(huán)境，居然長出另一種一短棒狀的IMC外表（注意銅與鉛是不會(huì)產(chǎn)生IMC的，且兩者之對沾錫（wetting）與散錫（Spreading）的表現(xiàn)也截然不同。再者銅錫之IMC層一旦遭到氧化時(shí)，就會(huì)變成一種非常頑強(qiáng)的皮膜，即使薄到5層原子厚度的1.5nm，再猛的助焊劑也都奈何不了它。這就是為什么PTH孔口錫薄處不易吃錫的原因（C.Lea的名著AscientificGuidetoSMT之P.337有極清楚的說明），故知焊點(diǎn)之主體焊錫層必須稍厚時(shí)，才能盡量保證焊錫性于不墜。事實(shí)上當(dāng)”沾錫”（Wetting）之初，液錫以很小的接觸角（ContactAngle）高溫中迅速向外擴(kuò)張（Spreading）地盤的同時(shí)，也另在地盤內(nèi)的液錫和固銅之間產(chǎn)生交流，而向下扎根生成IMC，熱力學(xué)方式之步驟，即在說明其假想動(dòng)作的細(xì)節(jié)。

六、錫金IMC

焊錫與金層之間的IMC生長比銅錫合金快了很多，由先后出現(xiàn)的順序所得的分子式有AuSn，AuSn2，AuSn4等。在150℃中老化300小時(shí)后，其IMC居然可增長到50μm（或2mil）之厚。因而鍍金零件腳經(jīng)過焊錫之后，其焊點(diǎn)將因IMC的生成太快，而變的強(qiáng)度減弱脆性增大。幸好仍被大量柔軟的焊錫所包圍，故內(nèi)中缺點(diǎn)尚不曝露出來。又若當(dāng)金層很薄時(shí)，例如是把薄金層鍍在銅面上再去焊錫，則其焊點(diǎn)強(qiáng)度也很快就會(huì)變差，其劣化程度可由耐疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)周期數(shù)之減少而清楚得知。

曾有人故意以熱壓打線法（Thermo-Compression，注意所用溫度需低于錫鉛之熔點(diǎn)）將金線壓入焊錫中，于是黃金就開始向四周的焊錫中擴(kuò)散，逐漸形成如圖中白色散開的IMC。該金線原來的直徑為45μm，經(jīng)155℃中老化460小時(shí)后，竟然完全消耗殆盡，其效應(yīng)實(shí)在相當(dāng)驚人。但若將金層鍍在鎳面上，或在焊錫中故意加入少許的銦，即可大大減緩這種黃金擴(kuò)散速度達(dá)5倍之多。

七、錫銀IMC

錫與銀也會(huì)迅速的形成介面合金共化物Ag3Sn，使得許多鍍銀的零件腳在焊錫之后，很快就會(huì)發(fā)生銀份流失而進(jìn)入焊錫之中，使得銀腳焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度迅速惡化，特稱為”滲銀Silverleaching”。此種焊后可靠性的問題，曾在許多以鈀層及銀層為導(dǎo)體的“厚膜技術(shù)”（ThickFilmTechnology）中發(fā)生過，SMT中也不乏前例。若另將錫鉛共融合金比例63/37的焊錫成分，予以小幅的改變而加入2%的銀，使成為62/36/2的比例時(shí)，即可減輕或避免發(fā)生此一”滲銀”現(xiàn)象，其焊點(diǎn)不牢的煩惱也可為之舒緩。最近興起的銅墊浸銀處理（ImmersionSilver），其有機(jī)銀層極薄僅4-6μm而已，故在焊接的瞬間，銀很快就熔入焊錫主體中，最后焊點(diǎn)構(gòu)成之IMC層仍為銅錫的Cu6Sn5，故知銀層的功用只是在保護(hù)銅面而不被氧化而已，與有機(jī)護(hù)銅劑（OSP）之Enetk極為類似，實(shí)際上銀本身并未參加焊接。

八、錫鎳IMC

電子零件之接腳為了機(jī)械強(qiáng)度起見，常用黃銅代替純銅當(dāng)成底材。但因黃銅中含有多量的鋅，對于焊錫性會(huì)有很大的妨礙，故必須先行鍍鎳當(dāng)成屏障（Barrier）層，才能完成焊接的任務(wù)。事實(shí)上這只是在焊接的瞬間，先暫時(shí)達(dá)到消災(zāi)避禍的目的而已。因不久后鎳與錫之間仍也會(huì)出現(xiàn)IMC，對焊點(diǎn)強(qiáng)度還是有不良的影響。

在一般常溫下錫與鎳所生成的IMC，其生長速度與錫銅IMC相差很有限。但在高溫下卻比錫銅合金要慢了很多，故可當(dāng)成銅與錫或金之間的阻隔層（BarrierLayer）。而且當(dāng)環(huán)境溫度不同時(shí)，其IMC的外觀及組成也各不相同。此種具脆性的IMC接近鎳面者之分子視為Ni3Sn4，接近錫面者則甚為分歧難以找出通式，一般以NiSn3為代表。根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，后者生長的速度約為前者的三倍。又因鎳在空氣非常容易鈍化（Passivation），對焊錫性也會(huì)出現(xiàn)極其不利的影響，故一般在鎳外表還要鍍一層純錫，以提高焊錫性。若做為接觸（Contact）導(dǎo)電用途時(shí)，則也可鍍金或銀。

九、結(jié)論

各種待焊表面其焊錫性的劣化，以及焊點(diǎn)強(qiáng)度的減弱，都是一種自然現(xiàn)象。正如同有情世界的生老病死及無情世界的頹蝕風(fēng)化一樣均遲早發(fā)生，無法避免。了解發(fā)生的原因與過程之后，若可找出改善之道以延長其使用年限，即為上上之策。

責(zé)任編輯：tzh