无铅焊接工艺中常见缺陷及防止措施

无铅焊接工艺中常见缺陷及防止措施（2）摘要：无铅化电子组装中，由于原材料的变化带来了一系列工艺的变化，随之产生许多新的焊接缺陷。本文针对“晶须”现象、离子迁移和元素污染三种缺陷进行了产生机理分析，并给出了相应的解决措施。关键词：无铅；焊点；晶须；离子迁移；元素污染SolderDefectsandSolutionsinLead-freeSolderingTechnology（2）ShiJianwei1,WangLe,LiangYongjun,WangHongping,ChaiYongSunEastElectronicTechnologyCompanyLt.d,Shenzhen,518103ChinaAbstract:Changesofmaterialbringaseriesofprocessproblemsinlead-freeelectronicassemblywithoccurrenceofnewsolderdefects.Thispaperanalyzescausesandgivessolutionofsolderdefectsforwhisker,ionmigrationandelementcontamination.Keywords:Lead-free,SolderJoint,Whisker,IonMigration,ElementContamination1.引言无铅化制程导入过程中，钎料、PCB焊盘及元件镀层的无铅化工艺配合新焊剂使用逐步得到广泛应用，随之产生的各种焊接缺陷，比如“晶须”现象、离子迁移和元素污染等困扰着实际生产的顺利进行。本文主要针对以上提到的几种主要缺陷进行原因分析并给出相应解决措施。2.晶须晶须易发生在Sn、Zn、Cd和Ag等低熔点金属表面，其有不同的形式，如针状、小丘状、柱状、花状、发散状等，如图1所示，对产品质量影响昀大的是柱状和针状，因为他们昀容易导致电路短路。锡须是从纯锡镀层表面自发生长出来一种细长形状的锡单晶，直径0.3～10um（典型1～3um），长度1～1000um不等。锡须会引起短路，断裂后落在某些移动及光学器件中引起这些器件的机械损害，如处于相邻导体之间可能产生弧光放电，烧坏电气元件等。图2为实际应用中在元件引脚/焊端间出现的晶须现象，已。2.1产生机理锡须生长模型主要有重结晶模型；金属间化合物模型；镀层与基体之间的热膨胀系数不匹配引发了锡须生长模型；镀层表面锡的氧化物形成引发锡须生长模型；表面锡氧化物存在缺陷或裂纹，在内部力的作用下锡被挤出形成锡须生长模型；基体金属原子扩散进入镀层中引发锡须生长模型。目前金属间化合物模型普遍被人们接受。铜扩散到锡中形成Cu6Sn5金属化合物，由于其热膨胀系数小于钎料且生长不规则，如图3所示，就对锡产生压应力，如氧化层有缺口，则锡原子沿着晶界进行扩散并被挤出形成锡须。表面上看锡须是由镀层中的外部压力引起，本质上是锡的迁移引起。锡表面的氧化物由于缺陷点阵导致螺旋位错，锡须往往在此生长，而且生长的方位基本在100方位。压应力是晶须形成的驱动力，产生压应力的原因还包括：冲压、冷却、锻造加工造成的基底初始内应力，电镀化学物质（如有机添加剂、光亮剂）可能增加的镀层残余应力，温度、湿度（80RH%）变化造成的环境应力，外在机械负载（固定件的扭转和操作刮伤）和振动冲击产生的应力及电迁移作用等。此外，塑性变形使晶须发生再结晶的可能性增加，也辅助和诱发晶须的形成。图1各种形状的锡须图2元件引脚/焊端上出现的晶须图3Sn晶须产生机理不规则生长的IMC产生内压力2.2锡须生长试验根据产生机理和应力模型，锡须有三类，其生长试验测试方法见表1所示。表1三类锡须产生机理及观察试验方法检测标准：小于50um锡须分类产生机理依据标准试验方法（扫面电镜检查测试）恒温锡须Cu扩散至Sn引起内应力JEITA/NEMI20℃～25℃，55±25％RH，1000小时湿热锡须Sn氧化产生内应力JEDEC/NEMI60℃，90±5％RH/60℃，93+2/-3％RH1000小时热冲击锡须Cu/IMC/Sn间CTE不匹配引起内应力JEITA/NEMI-55℃/-40℃～+85℃3个循环/小时，1000循环2.3解决措施存在应力梯度的情况下，锡原子就通过晶界扩散和体扩散（温度超过80～100℃）来传输，一般于薄膜表面晶界取向。锡原子移入锡须的根部产生了突起的表面层，并产生扭曲晶界。由于电镀制造商不能对晶界扩散过程做任何可行的控制，没有办法沉积单晶锡膜，所以无法抑制晶须的形成和生长。在高密度组装状态（元件间距100um），各种各样热冲击下锡须的成长寿命测算可以根据艾林公式求得：TL∆−=ln66.1204.69ln50（1）其中为锡须长到50um时经历的老化循环数，50lnLT∆为热冲击温度幅度。工艺生产中一般采取以下措施来防止晶须的生长：（1）控制电镀工艺，降低杂质和污染物的标准级别，避免镀层表面损伤。（2）纯锡镀层在24小时内进行150℃老化处理1小时或回流以消除应力。（3）毛锡镀层厚度大于8um，推荐10um。毛锡碳含量较亮锡低，具有较大晶粒尺寸，一般大于2um，典型为3～8um多边形晶粒。表2为亮锡和毛锡工艺特点对比。高的含碳量容易导致晶格变形而引起高的内应力；低的含碳量能防止金属须的生长。大的晶粒尺寸热力学性能更稳定，且提供较少的晶界孔隙，同时降低铜扩散至锡的速率，从而使原子很难被挤出发生锡须，降低再结晶发生可能，减少锡须产生。值得注意的是，毛锡只能减少锡须的产生，并不能完全防止，这一点可以从图4毛锡和亮锡产生的锡须看出。表2亮锡与毛锡工艺特点对比毛锡亮锡含碳量0.005～0.05％0.2～0.4％晶粒大小2～5um0.5～0.8um（4）表面镀Ni或聚合物等保护层，防止铜的扩散。晶须生长经常在正压力下产生，Sn/Cu界面由于Cu扩散入Sn的速度快而造成Sn的应力为压应力，Sn/Ni/Cu界面由于Ni扩散入Sn的速度快而造成Sn的应力为张应力。一般产品镀0.1～0.2um的Ni层，高可靠性产品以及寿命大于5年的产品，镀1～2um的Ni，再镀1.5um以上的毛锡，一般为2～3um。（5）镀其它无铅钎料合金。镀SnAg需控制Ag含量在1%以上；镀SnBi需控制Bi含量在2～4%；SnCu需控制Cu含量为0.1～2.5%，昀好为0.5～2.0%，如低于0.1%，就容易发生锡须而可能导致短路；AgPd/AgPdAu镀层，虽不存在锡须问题且与无铅钎料合金兼容，但难于焊接，成本昂贵。（6）选择合适引线材料。Cu材料很容易出现锡须，42合金似乎没有遇到锡须问题，但与SnCu镀层、AgPd/AgPdAu镀层不匹配。（7）由于Cu的单向扩散形成了化合物体积膨胀大致在58%，在不同无铅钎料表面镀层产生锡须的几率为SnCuSnSnBi,SnAgSnPb。（a）毛锡表面锡须（b）亮锡表面锡须图4毛锡与亮锡表面产生的锡须3.离子迁移印刷电路板等电极间由于吸湿和结露等作用吸附水分后加入电场时，金属离子从一金属电极向另一金属电极移动，析出金属和化合物的现象称为离子迁移。离子迁移现象是由溶液和电位等相关的电化学现象引起，特别是在高密度电子产品中，材料与周围环境相互影响导致离子迁移发生。3.1产生机理离子迁移根据其发生形态和发生状况被分为枝晶生长（Dendrite）和导电阳极细丝（CAF）两大类。Dendrite是根据PCB的绝缘表面析出的金属和其化合物呈树枝状而命名（图5），CAF则是根据沿着PCB的绝缘基板内部的玻璃纤维所析出的金属或其化合物呈纤维状延伸状态而命名的（图6），树脂基板吸水膨胀，玻璃纤维分离破裂为CAF提供通道，电化学反应析出沉淀导致漏电。离子迁移发生过程可分为阳极反应（金属溶解）、阴极反应（金属或金属氧化物析出）和电极间发生的反应（金属氧化物析出）。其中阳极反应和阴极反应是枝晶生长的发生机理，而阳极反应、阴极反应和电极间发生的反应是导电阳极细丝的发生机理。阳极之所以发生金属溶解是因为水的电解反应使阳极附近呈现局部酸性，酸性越强越易形成金属离子；阴极之所以发生金属析出是因为水的吸氧作用使阴极附近出现局部碱性，碱性越强越易发生金属析出。图5枝晶生长导致短路图6CAF形成导致漏电3.2影响因素电迁移试验可以用来测定绝缘电阻值和介电特性值。测定着眼于绝缘体中离子载体及泄露电流，由析出物距离判别绝缘性变化，以此评价迁移的生存。迁移速度如果过大，会影响电极的正极溶解量和负极析出量，电迁移试验不易做到定量测定，一般采用石英晶体微天平（QCM）进行测定，其利用石英晶片的压电效应，测定由适应晶片表面产生的微小重量变化和谐振频率变化。电流值的急速增加反映迁移生长和电极短路，谐振频率的增加反映电极表面有金属析出。电迁移发生的影响因素较多，表3为主要的加速因子，其中包括电极材料、温度、湿度及酸度等。无铅钎料中加入其他成分金属，不同表面结构状态金属化合物导致位置、稳定性及电极电位溶解特性不同，产生电子迁移的原因更加复杂。表4为不同钎料金属的标准电极电位，表5为无铅钎料表面组织与特性。由表可以看出：离子迁移发生速度较快的Ag和Cu生成稳定的化合物，使其耐迁移特性与Sn的溶解特性相关；虽然Zn能溶解到Sn中，但因形成了Sn及Zn的纯态膜起到防止Zn溶解的目的，可以相对抑制离子迁移的发生；无铅钎料与有铅钎料相比，耐离子迁移性高，但其稳定性受其特征的影响有可能丧失。表3电迁移发生的加速因素要因对离子迁移生长的影响电极材料（快）AgCuPbSnPbSnAu（慢）温度在常温到90℃时依存性大湿度在80%RH以上发生，沾着水分多，生长就越快电压电压越高生长越快，对交流、频率的倒数敏感PH酸性越强，析出速度越大离子性不纯物卤素浓度越高，生长速度越快水中溶解氧氧溶解越多，生长速度越快基材吸水性越大，生长速度越快表4钎料金属的标准电极电位示意材料电位示意材料电位Zn-0.763Bi0.215Sn-0.136Cu0.337Pb-0.126Ag0.799活性惰性H0.000活性惰性Au1.500表5无铅钎料表面组织与特性钎料种类表面组织状态标准电极电位纯态膜溶解析出元素Sn3.5AgSn相、Ag3Sn相与Sn相同SnO2SnSn0.7CuSn相、Cu6Sn5相与Sn相同SnO2SnSn58BiSn相、Bi相Sn和Bi混合SnO2SnSn37PbSn相、Pb相Sn和Pb混合SnO2,，PbxOxSn、PbSn9ZnSn相、Zn相与Zn相同SnO2，Zn(OH)2ZnO，ZnxSnxOSn、Zn在酸性溶液中，阳极钝化时，SnPb合金的维钝电流高于SnAg系钎料电极的维钝电流，且具有较高的临界电流和临界电位；阴极极化时，SnAg系钎料合金具有比SnPb合金较高的超电势。通过对SnZn、SnAg、SnCu、SnBi及SnPb的比较发现，发生迁移的趋势依次为SnZnSnAgSnCuSnBiSnPb。另外，含Bi钎料较SnPb钎料具有较低的超电势，电化学反应的倾向较大，因而不宜替代传统的SnPb合金用于较大电流、较高电压和潮湿环境中元件的焊接。图7为水滴法测试无铅钎料电迁移试验，从绝缘电阻变化可看出，发生迁移的趋势依次为Sn3.5AgSn3.0Ag0.5CuSn37PbSn2Ag0.75Cu3Bi，含Ag量越高越易发生迁移。图7去离子水滴法测试的绝缘电阻变化在实际PCB电路中，由于各导线之间均有电位差异，就形成阴极和阳极。在无铅工艺中，由于焊接温度较高，加之非挥发水溶性性焊剂和灰尘导电物等具有一定的活性，在潮湿的环境中水和焊剂残余就形成电解质，导线上金属就在电解质中变成离子进行迁移并形成枝状晶，同时也很容易使板材发生CAF，导致漏电、短路产品失效。目前日本已出现一种Anti-CAF的板材。有铅钎料中一般发生Pb析出，无铅钎料中一般发生Sn析出，如果出现润湿不完全，有裸露的Cu焊盘，则会发生Cu析出，如图8所示。图9为Cu离子迁移发生机理。Sn3.5Ag0.75CuSn37PbSn3.5Ag0.75Cu图8