理想焊点的质量模型及其影响因素有哪些

一、软钎相接焊点对电子系统可靠性的贡献在整个电子产品的装联工艺过程中，“硬焊”的权重平均60％以上，它对电子产品的整体质量和可靠性具有类似的意义。软钎接是影响电子产品生产质量的主要根源（1）电子产品生产的所有质量问题中，由焊不当导致的可高约80％。（2）现代高密度电子产品点对点质量问题中，由焊不当造成的甚至更进一步下降到90％以上。

（3）随着元器件PCB的微细化，μBGA、CSP、FCOB、0201、01005、EMI等微小型元器件在工业中的大量应用于，“微焊”技术在高密度装配中充分发挥着更加大的起到。由于焊点的微细化，人手不有可能必要相似，肉眼也无法必要看见，故此“微焊”技术基本上归属于一种“无检查工艺”。在这样的条件下，焊接合部的缺失必定将沦为电子产品在生产中质量不当的最主要形式。

二、理想焊点后半段界面的质量模型在电子装联行业中，什么样的焊点是好焊点？什么样的焊点是不当焊点？直到目前为止，人们都还不能逗留在依赖观感来展开辨别的层面。然而面临目前大量经常出现的微小型化的新型PCB所带给的焊点微细化，传统焊点的质量检测方法早已丧失其起到和价值。“微焊技术”为我们说明了了一个全新的发展途径。

然而在全面引进“微焊技术”的理念之前，我们必需再行要解决问题“微焊点”的质量模型问题，否则其他的一切涉及工作都将无的放矢，甚至有可能误入歧途。“微焊技术”的核心是微焊工艺设计的思维方法，所谓“微焊工艺设计”，就是用计算机仿真焊接合部的可靠性设计，从而取得实际生产线的可靠性管理措施和掌控项目，对生产线有可能再次发生的不良现象展开预测，寻找不良现象再次发生的原因。日本学者菅沼克昭从可靠性观点抵达概括出有了理想焊点后半段界面的质量模型，如图1右图。

图1从可靠性观点看理想后半段界面的质量拒绝图1中为我们说明了了理想界面的组织不应不具备的条件（界面理论研究的领域）是：（1）所用PCB基板具备大于的Z轴（厚度）方向的CTE；（2）平缓且厚度＜5μm的界面合金（IMC）层；（3）钎料体内均匀分布地产于着粒度＜100nm的识增强粒子；（4）钎料体的钎料的组织内不不存在或很少不存在偏析金属互为；（5）钎料体内晶相间和焊点表面不存在很弱的水解膜。三、包含理想焊点质量模型的主要条件分析1．较低的基板Z轴方向的CTE值Z－CTE过于大是造成各类多层PCB爆板的主要原因。当温度增高时，Z－CTE随之减小，使得层压基材内各层间受到一个收缩形变。

一旦该形变小于玻璃纤维与接合树脂的亲和力，层压基板之后沿厚度方向再次发生胀裂而构成爆板过热，如图2右图。图2多层PCB的爆板特别是在无铅焊的更高焊温度下，若Z－CTE过大，还将使PCB基板内层沿Z向的点对点导线，如PTH孔壁、埋孔或盲孔的相连部受到一个相当大的剪切力，有可能使得其孔壁或点对点部拉裂而造成层压板结构的完整性遭毁坏，如图3右图。图3内层点对点导线脱落2．平坦且厚度适合的均匀分布IMC层（1）倒数而平坦的IMC层。

倒数而平坦的IMC层如图4右图。图4倒数而平坦的IMC层（2）厚度适合（＜5μm）的IMC层。①生长过薄的合金层将影响焊点的机电性能。德国ERSA研究所的研究指出，分解的金属间化合物厚度在4μm以下时，对焊点机械强度影响并不大。

IMC的厚度随母材镀层有所不同有有所不同的拒绝，根据工业实践中数据统计资料，最适宜的厚度如下：Cu－Sn合金层的厚度一般来说不应掌控在2～4μm为宜；Ni－Sn合金层的厚度一般来说不应掌控在1～2μm为好。②过薄的IMC是造成焊点可靠性上升的原因。由于金属间化合物一般是既软而质地的，它的构成是造成焊相接头部疲劳强度、倾斜强度等机械性能以及导电性和耐腐蚀性上升的原因。

尤其是对微小焊点来说，合金层的变薄不会使合金层在焊点中的比例减小，这对焊点的相连可靠性是十分有利的。（3）影响IMC生长的因素。显Sn在265℃液态下与Cu分解的IMC，1min就能超过1．25μm的厚度。与上忽略，如果温度过较低，不会造成焊点过冷，因而分解的IMC太薄，焊点机械强度过于，构成冷焊点。

合金层的生长速度一般遵从于蔓延定律，即一方面和冷却时间的平方根成比例，另一方面也和不受冷却温度影响的扩散系数的平方根成正比。合金层的生长一般来说随钎料中Sn的浓度的减小和环境温度的升高而变薄，所构成的IMC层还包括η互为（Cu6Sn5）、ε互为（Cu3Sn）、δ互为、γ互为（Cu31Sn8），由于反应温度的有所不同而构成的IMC也是有所不同的。熔融Sn和液体Cu在有所不同温度下反应构成的合金层的种类和厚度的关系如图5右图。

图5熔融Sn和Cu在有所不同温度下反应构成的合金层的种类和厚度的关系（4）诱导IMC过度生长的措施。合金层的生长不受扩散作用支配，由于蔓延是温度的函数，因此，为了诱导IMC层的过分生长，掌控好焊温度无法过低是十分最重要的。上面已辩论到IMC分解的厚度（W）与冷却时间（t）的平方根成正比，似乎，掌控冷却的时间（t），也是掌控IMC不致过薄的最重要因素。

IMC生长的厚度与再行东流焊后加热速率关系密切，因此，减小从峰值温度→150℃区间的加热速率，可有效地诱导IMC层厚度的快速增长。3．界面体内粒度大于100nm的识增强粒子不受焊后加热速率的影响。

近些年来，随着无铅制程的推广应用，人们在焊点可靠性实践中，大大找到焊后尤其是无铅再行东流焊后，加热速率对焊点内晶粒笔画的影响相当大，进而显著影响焊点的可靠性。实践中案例的累积指出，提升加热速率更容易使焊点取得增强的识晶粒结构；而减少加热速率，之后不会造成焊点内晶粒粗化，如图6右图，从而使焊点可靠性劣化。图6有所不同的SAC合金的组织成分随加热速率变化的影响构成焊点的钎料的组织中晶粒的笔画对焊点的机、电性能有较小的影响。例如：（1）SnPb系合金。

上面辩论的SnPb系由中的3种组分：Sn37Pb、Sn40Pb、Sn50Pb的机、电综合性能较为如表格1右图。表格1由上述分析由此可知，焊点内的晶粒度：Sn37Pb＜Sn40Pb＜Sn50Pb；较为表格1由此可知，焊点的机、电性能：Sn37Pb＞Sn40Pb＞Sn50Pb。由于共晶成分的钎料晶粒最细，而机、电综合性能又最低，这就是在工程应用于上要尽可能搭配共晶成分的钎料合金的原因之一。

防止晶粒粗壮简化的主要措施是：尽量自由选择共晶组分或附近共晶组分的钎料合金；自由选择适合的焊温度，防止短路；防止过长的焊冷却时间；提升焊接后的加热速率，尤其是无铅制程情况下；在焊时要尽量避免非钎料成分中的其他金属元素渗入钎料中。4偏析较少的钎料的组织偏析对焊点可靠性的影响（1）偏析较少的识增强互为均匀分布的钎料结晶的组织是人们所执着的。而由于偏析等构成的脆性互为，即使在较低形变下也不会沦为毁坏的起点。（2）ENIGNi／Au镀层在再行东流过程中Au层会沉淀于钎料中，因为界面上构成的AuSn4层是邻接于富Pb区域的，热循环试验中，可辨识出有元器件和PCB焊盘界面间的AuSn4合金层，创建在邻接于该层的局部Sn消耗区域（富Pb区）的界面是不稳固的。

缺失有可能较慢蔓延到，并沿着AuSn4金属化合物产生脱落。（3）富P层是薄弱的，而且不免随着Ni3Sn2（或Ni2SnP）层的分解，在其上要构成许多空隙（下陷），并且这些空隙沿富P层内横向伸延构成下陷，如图7右图。由于这些和界面三大的空隙或富P层内的横向裂纹而造成了焊点强度的劣化。

图7Ni（P）镀层和Sn37Pb钎料焊的界面分解的裂纹（4）诱导焊点经常出现偏析的措施无铅焊时一定要防治Pb污染；掌控好焊温度，防止短路；掌控好冷却时间，防止过长；使用含Cu的钎料可以有效地诱导Ni（P）镀层焊时富P层的厚度。5．很弱的水解膜典型的SnPb钎料合金状态图如图8右图。在图中的O点，液态钎料沿着虚线箭头方向加热变为液体的过程为：首先，液体较慢地加热抵达共晶点温度（183℃），如图8中的E点。

于是，在液态合金中同时分解由B点和D点两种组分的固溶相。在B点是2．5％的Pb向Sn中固溶而构成β互为（β－Sn），而D点则是19．2％的Sn向Pb中固溶构成α互为（α－Pb）。它们互相交错重合构成邻接的层状识的组织，这种层状识的组织正是共晶合金的特征，也称作片晶状的组织，如图9右图。

图8SnPb钎料合金状态图？图9典型的Sn37Pb钎料的的组织然而，对背离共晶组分的p点，从300℃开始较慢加热，到达液相线上的F点（大约270℃），在液态钎料溶液中分解的液体就像在大海中的岛屿。其构成从F点向右沿横线伸延到F1点，即在Pb中渗入微量的Sn而分解片状的α－Pb相初矽（初始经常出现的固相）。

当温度之后减少时，α互为较慢茁壮，旋即之后抵达固相线的G点，在这里瓦解的液体也同时烧结。对应p点最后凝结后的组分是：由D点的α互为（在Pb中渗入了19．2％的Sn）和B点的β互为（在Sn渗入了2．5％微量的Pb）联合包含识的共晶的组织。由于初始经常出现的α相的的组织较为粗壮，故在最后凝结的共晶微的组织中，Pb的含量在合金成分中是较低的（37％）。

图8中的q点是含量为90wt％的高温钎料合金，其加热过程是：从320℃（I点）开始加热，在液态钎料溶液中首先经常出现α的液体粒子。随着温度较慢上升，α互为大大减小，到了J点（大约240℃）钎料全部改变为α的均质液体。当温度之后降到140℃（k1点）时，再行由此两县由k点（k1点沿水平虚线伸延）所对应成分的β－Sn，即随温度的减少在液体的α－Pb中渗入Sn现在有可能，不能在α看中构成其他的结晶微粒。有所不同的SnPb合金成分从熔融状态凝结后的的组织状态如图10右图。

很弱的水解膜就是指在结晶晶粒界面之间，无法不存在显著的水解现象。图10有所不同的SnPb合金成分从熔融状态凝结后的的组织状态根据樊融融编著的现代电子装联工艺可靠性改篇。

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