摘自：范 陶朱公  可靠性雜壇

一、從可靠性的角度出發(fā)

現(xiàn)代各類(lèi)電子元器件引腳（電極）所用基體金屬材料及其特性，以及在基體金屬上所可能采取的各種抗腐蝕性及可焊性保護(hù)涂層材料的焊接性能，涂層在儲(chǔ)存過(guò)程中發(fā)生的物理、化學(xué)反應(yīng)，涂層的成分、致密性、光亮度、雜質(zhì)含量等對(duì)焊接可靠性的影響，從而優(yōu)選出抗氧化能力、可焊性、防腐蝕性最好的涂層，以及獲得該涂層的最佳工藝條件，是確保焊接互連可靠性的重要因素之一。

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中已普遍實(shí)現(xiàn)IC、LSI、VLSI化，對(duì)其所使用的電極材料越來(lái)越重視。例如，材料的電阻率、熱膨脹系數(shù)、高溫下的機(jī)械強(qiáng)度、材質(zhì)和形狀等都必須要細(xì)致地考慮。對(duì)現(xiàn)代電子工業(yè)用的引腳（電極）材料的基本要求是：

●導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性要好；

●熱膨脹系數(shù)要小；

●機(jī)械強(qiáng)度要大；

●拉伸和沖裁等加工性能要好。

目前普遍使用的引腳材料可分為Fe-Ni基合金和Cu基合金兩大類(lèi)。

二、電子元器件引腳用材料對(duì)焊接可靠性的影響

1. Fe-Ni基合金

1）特征及應(yīng)用范圍

Fe-Ni基合金系中的科瓦合金等品牌，當(dāng)初是作為玻璃封裝用的合金而開(kāi)發(fā)的。其熱膨脹曲線與IC芯片的Si是近似的，如圖1所示。而且還可將其作為Au-Si系焊接的焊材進(jìn)行直接焊接。因此，在MOS系列器件中普遍采用它作為引腳材料。

Fe-Ni基合金系的代表性合金是42合金，由于它機(jī)械強(qiáng)度大，熱膨脹系數(shù)小，故廣泛用做陶瓷封裝芯片的電極材料。

圖1

2）常用品牌成分及其特性

主要Fe-Ni基合金的特性如表1所示。

表1

由于本合金系存在著磁性及電阻率大的特點(diǎn)，故作為引腳材料是其不足之處。因此它專(zhuān)用于功率消耗比較小，產(chǎn)生熱量比較少的MOS類(lèi)IC器件。

2. 銅基合金

當(dāng)電子電路進(jìn)入到大集成化、高密度組裝化階段，發(fā)生在其引腳上的電阻熱已成為不可忽視的問(wèn)題。因此，廣泛采用導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性好及在高溫下機(jī)械性能也好的新的Cu基合金替代Fe-Ni基合金，來(lái)滿(mǎn)足元器件引腳材料的發(fā)展要求，已成為電子元器件業(yè)界所關(guān)注的問(wèn)題。

由于Cu基合金系導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性均好，散熱性也不錯(cuò)，而且與42合金相比價(jià)格上也有優(yōu)勢(shì)，故廣泛應(yīng)用于塑料封裝芯片中。

3. Cu包不銹鋼引腳材料

為了能同時(shí)滿(mǎn)足機(jī)械強(qiáng)度和散熱性的目的，在日本正在開(kāi)發(fā)以不銹鋼（SUS430系）作為芯材，再在其兩面按10/80/10的比例鍍無(wú)氧銅的金屬包層的新的引線框材料。

三、引腳的可焊性涂層對(duì)焊接可靠性的影響

1. 可焊性

表示金屬及其金屬涂層表面對(duì)軟釬料的潤(rùn)濕能力。這種能力通常都是在規(guī)定的助焊劑和溫度的條件下，測(cè)定熔融焊料在其上的實(shí)際潤(rùn)濕面積和潤(rùn)濕的最小時(shí)間來(lái)評(píng)估其優(yōu)劣的。

2. 可焊性狀態(tài)分類(lèi)

軟釬料在金屬及其金屬涂層上的潤(rùn)濕狀況可分成下述3種類(lèi)型。

（1）潤(rùn)濕（Wetting）：釬料在基體金屬表面能形成一層均勻、光滑、完整的釬料薄層，如圖2所示

圖2

（2）弱潤(rùn)濕（Dewetting）：釬料在基體金屬表面覆蓋了一層薄釬料，留下一些由釬料構(gòu)成的不規(guī)則的小顆粒或小瘤，但未暴露基體金屬。也有人將其稱(chēng)為“半潤(rùn)濕”，如圖3所示。

圖3

（3）不潤(rùn)濕（Non-wetting）：釬料在基體金屬表面僅留下一些分離的、不規(guī)則的條狀或粒狀的釬料，它們被一些小面積薄層釬料和部分暴露的基體金屬面積所包圍，如圖4所示。

圖4

3. 可焊性涂層的分類(lèi)

焊接過(guò)程是熔化的軟釬料和被焊的基體金屬結(jié)晶組織之間通過(guò)合金反應(yīng)，將金屬和金屬結(jié)合在一起的過(guò)程。許多單金屬或合金都可以和SnPb、SnAgCu等釬料發(fā)生冶金反應(yīng)而生成IMC，從理論上講，它們均可以作為可焊性鍍層。按焊接時(shí)的熔化狀態(tài)的不同，又可將其分成3類(lèi)：

（1）可熔鍍層：焊接溫度下鍍層金屬熔化，如Sn、Sn-Pb合金鍍層等。

（2）可溶鍍層：焊接溫度下鍍層金屬不熔化，但其可溶于焊料合金中，如Au、Ag、Cu、Pd等，如圖5所示。

圖5

（3）不熔也不溶鍍層：焊接溫度下鍍層金屬既不熔化，也不溶于焊料中，如Ni、Fe、Sn-Ni等。

4. 可焊性鍍層的可焊性評(píng)估

1）影響鍍層可焊性的因素

影響可焊性鍍層可焊性的因素有：鍍層本身的性質(zhì)、厚度、施鍍方法、表面涂敷、存放時(shí)間和環(huán)境、焊接工藝條件（焊料和助焊劑、焊接參數(shù)和工藝方法）等。歸納起來(lái)如下。

（1）基體金屬鍍層表面被氧化。

●引線涂敷后未能徹底清洗，表面可能有氯離子、硫化物等酸性殘留物。這些殘留物質(zhì)與空氣中的氧和潮氣接觸后就會(huì)使鍍層表面氧化。Sn或Pb的氧化物熔點(diǎn)非常高，如PbO熔點(diǎn)為888℃；PbS熔點(diǎn)為1 114℃，SnO2熔點(diǎn)為1127℃。Sn、Pb等的氧化物在正常焊接溫度下不能熔解，形成有害的物質(zhì)覆蓋在鍍層的表面上，從而導(dǎo)致引線可焊性劣化。

●即使表面清洗干凈的引線如果儲(chǔ)存條件不良，長(zhǎng)時(shí)間置放在潮濕空氣中或含有酸、堿等物質(zhì)的有害氣體中，引線表面鍍層金屬也會(huì)發(fā)生氧化，使引線表面出現(xiàn)白點(diǎn)或發(fā)黃、發(fā)黑。

（2）引線基體金屬表面處理不良。引線涂敷前某些金屬表面有金屬氧化物或油脂等時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)使金屬鍍層與基體金屬結(jié)合力下降，造成虛焊和脫焊。

（3）引線鍍層不良。鍍層太薄或鍍層不連續(xù)或疏松、有針孔，會(huì)影響引線的儲(chǔ)存性能，使可焊性劣化。

在Cu表面鍍Sn、SnPb合金，能防止Cu氧化。但由于鍍層疏松有針孔，使基體Cu表面與空氣之間產(chǎn)生了通道，從而導(dǎo)致下述后果：

●大氣中的氧和潮氣通過(guò)鍍層中的針孔與基體金屬表面接觸，使基體金屬氧化和腐蝕。

●由于Sn、Pb的標(biāo)準(zhǔn)電極電位都比Cu負(fù),是陰極性鍍層，當(dāng)潮氣通過(guò)鍍層中的針孔與基體金屬表面接觸時(shí)便形成一個(gè)微電池，鍍層金屬Sn或SnPb合金將被腐蝕。

2）金屬擴(kuò)散層的影響

在電鍍中鍍層Sn和SnPb合金與基體金屬Cu表面是原子結(jié)合，而熱浸涂層Sn和基體金屬Cu之間存在Cu6Sn5化合物。這種化合物能使鍍層Sn黏附在基體金屬上，但隨著時(shí)間增長(zhǎng)，基體金屬Cu和鍍層金屬Sn之間繼續(xù)擴(kuò)散，合金層生長(zhǎng)過(guò)厚就有可能生長(zhǎng)出極薄的Cu3Sn化合物，這將降低可焊性，影響焊接強(qiáng)度。

5. 引腳可焊性鍍層對(duì)焊接可靠性的影響

1）Au鍍層

（1）鍍層特點(diǎn)。該鍍層有很好的裝飾性、耐蝕性和較低的接觸電阻，鍍層可焊性?xún)?yōu)良，極易溶于釬料中。其耐蝕性和可焊性取決于有否足夠的鍍層厚度及無(wú)孔隙性。薄鍍層的多孔隙性，易發(fā)生銅的擴(kuò)散，帶來(lái)氧化問(wèn)題而導(dǎo)致可焊性變差。而過(guò)厚的鍍層又會(huì)造成因Au的脆性而帶來(lái)不牢固的焊接頭。

許多公司將ENIG Ni/Au用做表面涂層，并獲得了成功。然而，在將ENIG Ni/Au涂層與BGA結(jié)合起來(lái)使用時(shí)，有時(shí)其結(jié)果是不可預(yù)見(jiàn)的。最近幾年出現(xiàn)兩種失效模式：

●第一種失效模式是不潤(rùn)濕或半潤(rùn)濕，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“黑色焊盤(pán)”；

●第二種失效模式是與機(jī)械應(yīng)力相關(guān)的層間開(kāi)裂。

（2）鍍層厚度。焊接用鍍金層是24k純金，具有柱狀結(jié)構(gòu)，有極好的導(dǎo)電性和可焊性。其厚度：

1級(jí)：0.025～0.05μm；2級(jí)：0.05～0.075μm；3級(jí)：0.127～0.254μm。

2）Ag鍍層

（1）鍍層特點(diǎn)。Ag在常溫下具有最好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和焊接性，除硝酸外，在其他酸中是穩(wěn)定的。Ag具有很好的拋光性，有極強(qiáng)的反光能力，高頻損耗小，表面?zhèn)鲗?dǎo)能力高。然而，Ag對(duì)S的親和力極高，大氣中微量的S（H2S、SO2或其他硫化物）都會(huì)使其變色，生成Ag2S、Ag2O而喪失可焊性。

Ag的另一個(gè)不足是Ag離子很容易在潮濕環(huán)境中沿著絕緣材料表面及體積方向遷移，使材料的絕緣性能劣化甚至短路。

（2）化學(xué)鍍Ag。化學(xué)鍍Ag層既可以焊接，又可“綁定”（壓焊），因而普遍受到重視。化學(xué)鍍Ag層本質(zhì)上也是浸Ag。Cu的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為φ oCu+/Cu=0.51V，而Ag的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為φ oAg+/Ag=0.799V，因而Cu可以置換溶液中的Ag離子而在Cu表面生成沉積的Ag層。

3）Ni鍍層

（1）鍍層特點(diǎn)。Ni有很好的耐蝕性，在空氣中容易鈍化，形成一層致密的氧化膜，因而它本身的焊接性能很差。但也正是這層氧化膜使它具有較高的耐蝕性，能耐強(qiáng)堿，與鹽酸和硫酸作用緩慢，僅易溶于硝酸。

焊接件鍍Ni主要是防止底層金屬Cu向表層Au層擴(kuò)散。實(shí)際上它是充當(dāng)一層阻擋層，故要求鍍Ni層的應(yīng)力要低，并且與Cu和Au層之間結(jié)合力要好。

（2）鍍層厚度。Ni鍍層分下述兩種。

●半光亮Ni：又稱(chēng)低應(yīng)力Ni或啞Ni，低應(yīng)力Ni宜于焊接或壓接，通常作為板面鍍金的底層；

●光亮Ni：做插頭鍍金的底層，根據(jù)需要也可作為面層，光亮Ni層均勻、細(xì)致、光亮，但不可焊。

鍍Ni層應(yīng)具有均勻致密、孔隙率低、延展性好的特點(diǎn)，用于焊接和壓接時(shí)適宜采用低應(yīng)力Ni。鍍層厚度（IPC-6012規(guī)定）：

不低于：2～2.5μm。打底：1級(jí) 2.0μm；2級(jí) 2.5～5.0μm；3級(jí) ≥5.0μm。

4）Sn鍍層

Sn不僅怕冷，而且怕熱。在溫度低于13.2℃時(shí)發(fā)生相變，由β相（白錫）演變?yōu)棣料啵ɑ义a），即發(fā)生錫瘟現(xiàn)象。而在161℃以上時(shí)，白錫又轉(zhuǎn)變成具有斜方晶系結(jié)構(gòu)的斜方錫。斜方錫很脆，一敲就碎，展性很差，叫做“脆錫”。白錫、灰錫、脆錫是錫的3種同素異性體。

（1）鍍層特點(diǎn)。鍍Sn在鋼鐵上屬于陰極鍍層，只有其鍍層無(wú)孔隙時(shí)，才能有效地保護(hù)鋼鐵免受腐蝕。不同的工藝方法獲得的鍍層，其焊接性能也是不同的，如表2所示。

表2

鍍暗Sn層外觀呈無(wú)光澤的灰白色，其焊接性能比光亮鍍Sn層好，但它不能抵抗手汗?jié)n的污染。鍍暗Sn層經(jīng)熱熔后，其可焊性最好，抗手汗?jié)n污染能力也大為提高。

光亮鍍Sn層焊接性能好，且在工序傳遞及儲(chǔ)存過(guò)程中有很好的抗手汗?jié)n和其他污染的能力。但由于有機(jī)添加劑的存在，在加熱時(shí)會(huì)放出氣體，造成焊縫中出現(xiàn)氣泡、裂口等缺陷，影響焊點(diǎn)的可靠性。

（2）鍍層厚度。Sn容易與Cu生成金屬間化合物，這種金屬間化合物可焊性不良。但一定量的金屬間化合物是潤(rùn)濕的標(biāo)志。故Sn鍍層中應(yīng)該有一部分用于金屬間化合物的生成，而鍍層的表面為氧化膜所占用，剩余部分才可用于改善可焊性。因此，通常鍍Sn層厚度為8～10μm。

5）Cu鍍層

Cu是一種優(yōu)良的可焊性鍍層，只要它的表面是新鮮的，或者采取了有效的保護(hù)而沒(méi)有氧化或腐蝕。細(xì)晶粒的鍍層比粗晶粒鍍層具有更好的可焊性。

6）Pd鍍層

化學(xué)浸Pd（鈀）是元器件引腳的理想Cu-Ni保護(hù)層，它既可焊接又可“綁定”（壓焊）。可直接鍍?cè)贑u上，因Pd有自催化能力，鍍層可以增厚，其厚度可達(dá)0.08～0.2μm。它也可鍍?cè)诨瘜W(xué)Ni層上。

Pd層耐熱性高、穩(wěn)定，能經(jīng)受多次熱沖擊。由于Pd價(jià)格高于Au，故在一定程度上限制了它的應(yīng)用。隨著IC集成度的提高和組裝技術(shù)的進(jìn)步，化學(xué)鍍Pd在芯片級(jí)組裝（CSP）上將發(fā)揮更有效的作用。

7）SnPb鍍層

●SnPb合金鍍層在PCB生產(chǎn)中可作為堿性保護(hù)層，對(duì)鍍層要求是均勻、致密、半光亮。

●SnPb合金熔點(diǎn)比Sn、Pb均低，且孔隙率和可焊性均好。只要含Pb量達(dá)到2%～3%就可以消除Sn“晶須”問(wèn)題。

●在PCB上電鍍SnPb合金必須有足夠的厚度，才能為其提供足夠的保護(hù)和良好的可焊性。MIL-STD-27513規(guī)定，SnPb合金最小厚度為7.5μm。此規(guī)定由美國(guó)宇航局提出，并得到美國(guó)空間工業(yè)的公認(rèn)。英國(guó)錫研究所提供的報(bào)告中也指出SnPb合金鍍層的最薄厚度為7.5μm。

●普通SnPb合金鍍層結(jié)構(gòu)是薄片狀的，有顆粒狀暗色外觀，鍍層多針孔。這種鍍層在加工過(guò)程中易變色而影響可焊性。經(jīng)過(guò)熱熔（紅外熱熔或熱油（甘油）熱熔）后，即可得到光亮致密的涂層，提高了抗腐蝕性，延長(zhǎng)了壽命。熱熔還可使SnPb合金鍍層中的有機(jī)夾雜物受熱逸出，可減少波峰焊接時(shí)氣泡的產(chǎn)生。

●熱熔時(shí)，Cu、Sn間會(huì)生成一層薄的金屬間化合物，這是潤(rùn)濕所必需的，但其量必須合適，才能確保良好的潤(rùn)濕性，如果量大反而有害。溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于金屬間化合物的生長(zhǎng)，耗Sn就越多，這樣就可能造成靠近金屬間化合物的釬料層附近出現(xiàn)富鉛相，導(dǎo)致半潤(rùn)濕。

8）SnZn鍍層

Sn、Zn都廣泛用于鋼鐵的防腐蝕上，但它們的防腐蝕機(jī)理不一樣。Sn是比鋼鐵更貴的金屬，故它是一種陰極鍍層，鋼鐵只有通過(guò)Sn鍍層的孔隙才能形成腐蝕微電池，故銹蝕出現(xiàn)在孔隙處。

Zn是比鋼鐵更賤的金屬，它是通過(guò)自身的陽(yáng)極腐蝕來(lái)保護(hù)鋼鐵的。SnZn合金鍍層兼?zhèn)淞薙n、Zn兩金屬的優(yōu)點(diǎn)，而彌補(bǔ)了它們的缺點(diǎn)。該合金鍍層不僅具有很高的耐腐蝕性（75%Sn/25%Zn），可焊性很好（10%Sn/90%Zn），而且不會(huì)形成“晶須”。鍍層為銀白色，具有鏡面光澤，成本低，在電子產(chǎn)品中可用于代替Ag鍍層。

9）鍍SnCe合金

鍍錫層有生長(zhǎng)晶須的危險(xiǎn)，其傾向隨Sn濃度的提高、內(nèi)應(yīng)力的增加而增加。Sn還有結(jié)構(gòu)變異，低溫產(chǎn)生錫瘟。Sn與Cu有互相滲透生成Cu6Sn5合金擴(kuò)散層的傾向，過(guò)厚的合金層熔點(diǎn)高而脆，影響可焊性。

SnCe合金所得到的鍍層亮度高，抗蝕，改善可焊性，能細(xì)化晶粒，改善鍍層。然而在鍍層中還幾乎測(cè)不到Ce。這種鍍層能防止基體Cu與Sn的相互擴(kuò)散，鍍層化學(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化能力強(qiáng)，可焊性穩(wěn)定。

10）其他無(wú)氟、無(wú)Pb的Sn基合金

無(wú)Pb合金的可焊性鍍層已投入生產(chǎn)的有Sn/Cu（Cu0.3%），用于電子引線電鍍可獲得光亮和半光亮鍍層。幾種無(wú)Pb鍍層的性能比較如表3所示。

表3

根據(jù)樊融融編著的現(xiàn)代電子裝聯(lián)工藝可靠性改編

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