焊点的失效模式有哪些？

由于法律要求和环境保护要求，无铅锡膏替代有铅锡膏势在必行。但是这过程不是一蹴而就的，毕竟不同技术发展不是完全同步的。因此在目前一些焊接中可能需要同时用到有铅和无铅焊接两种工艺。铅的存在会对焊点可靠性有负面作用。本文主要介绍铅污染对焊接效果的影响。
 
混合使用有铅和无铅焊料对焊点可靠性有着潜在影响。举个例子，当无铅锡膏和有铅锡膏搭配使用时会发生向后兼容性。Sn63Pb37锡膏熔点要低于SAC合金，因此焊盘上的Sn63Pb37会先熔化，而SAC焊球仍未熔化。熔化后的Pb会扩散到SAC焊球晶粒边界，从而产生的焊点性质不稳定且容易失效。所以需要对回流曲线进行调整并匹配锡膏熔点，回流时间，冷却时间等。

 
                                                                           图1: 混合焊料使用案例

铅污染影响
Seelig和Suraski (2001) 往Sn95.5Ag4Cu0.5焊料中加入Pb进行焊接并测试抗疲劳属性。结果发现Pb含量增加会降低焊点抗疲劳能力，意味着焊点更快失效 (图2)。Key Chung et al. 也对铅污染的影响进行实验研究，故意将Pb加入无铅焊料Sn95Ag4.5Cu0.5中，形成97wt%SnAgCu和3wt%Pb金属比例。DSC结果发现Pb在179℃时会与Sn/Ag发生界面反应生成Sn62Pb36Ag2三元结构并出现柯肯达尔空洞。Sn62Pb36Ag2生长主要发生在冷却阶段，且与冷却速率呈反比关系。

 
                                                                              图2: 焊点抗疲劳测试结果。
 
对于向后兼容性。当峰值回流温度低于SAC合金熔点时，Pb会沿着SAC晶界扩散。这会导致无铅焊料球晶粒粗化 (如图3所示)。此外，由于回流温度低于焊料球熔点，焊料球未能有效溶解，从而形成了异常的形状 (Key Chung et al., 2002)。由此生成的焊点可靠性低，在热循环中容易疲劳并失效。

 
                                       图3: 回流温度比无铅焊球熔点低时，Pb沿着晶界扩散。黑色/灰色-富铅区域，棒状-Ag3Sn, 灰色颗粒-Cu6Sn5 
 
 
                                       图4: 冷却过程焊料球未能完全坍塌，导致焊点形状异常。
 
对于使用完全无铅焊料的系统来说，晶粒粗化程度较小并减少了再结晶。因此焊点的可靠性会比铅污染的焊接系统高。
 
深圳市福英达对高可靠性无铅锡膏生产有着相当成熟的经验和技术。福英达无铅锡膏囊括低温系列和中高温系列。SnBiAg系列无铅锡膏能用于低温焊接环境，减少热应力带来的焊盘翘曲等问题。SnAg3Cu0.5系列中温锡膏熔点217℃左右，焊点推拉力和导电性优秀。对于高温环境如功率器件等设备封装，福英达金锡锡膏能发挥出其高熔点(280℃)的特点。

参考文献
Key Chung, C., Aspandiar, R., Foo Leong, L., & Siew Tay, C. (2002), “The Interactions of Lead (Pb) in Lead Free Solder (Sn/Ag/Cu) System”, 52nd Electronic Components and Technology Conference.
 
Seelig, K., & Suraski, D. (2001), “Lead-Contamination in Lead-Free Electronics Assembly”.

审核编辑 黄宇