焊點的失效模式有哪些 (4)
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焊點的失效模式有哪些 (4)
在使用無鉛錫膏進(jìn)行焊接后，錫膏和焊盤界面會出現(xiàn)金屬間化合物(IMC) 生長。少量的IMC能夠起到焊點增強(qiáng)作用。但在元器件使用過程中，高溫會加快IMC的生長。過度生長的IMC會在焊點和焊盤界面形成空洞，降低焊點可靠性。本文簡短討論IMC在焊點和焊盤界面生長的影響。
電子封裝行業(yè)通常采用ENIG或者OSP工藝對PCB進(jìn)行表面處理。界面IMC生長是影響焊點跌落性能的重要因素。熱應(yīng)力作用下錫膏和焊盤的原子相互擴(kuò)散作用造成了界面IMC生長。Xu et al. (2008)進(jìn)行了SAC305錫膏焊點熱老化測試 (500, 1000和1500周期, -40℃-125℃)。在界面處發(fā)現(xiàn)了大量柯肯達(dá)爾空洞，并且焊點在跌落測試中出現(xiàn)界面斷裂。ENIG表面處理的焊盤在焊點處Ni(P)層出現(xiàn)垂直空洞 ( Xu et al., 2008)。
圖1是OSP和ENIG處理后的PCB的跌落測試?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著熱循環(huán)次數(shù)增加，SAC錫膏焊點可承受跌落次數(shù)迅速下降。此外，OSP的抗跌落性能下降速度很快，500個循環(huán)后跌落次數(shù)就幾乎下降到了個位數(shù)。主要失效模式是IMC脆性斷裂。
圖1: OSP和ENIG處理的PCB焊點熱老化后的可承受跌落次數(shù) ( Xu et al., 2008)。
原子間擴(kuò)散速率不同是形成空洞的原因，體現(xiàn)在擴(kuò)散快的金屬一側(cè)會出現(xiàn)空位。對于OSP處理的PCB來說，由于Cu原子擴(kuò)散較快而Sn原子未能填補(bǔ)Cu遷移后的空缺位置，大量空位積聚形成柯肯達(dá)爾空洞。如圖2(b) 和2(c)所示，在Cu3Sn層中發(fā)現(xiàn)了大量空洞，且數(shù)量隨著熱循環(huán)數(shù)增加而增加。界面處連續(xù)性的空洞加快了SAC305錫膏焊點的脫落。
圖2: OSP處理的PCB界面處出現(xiàn)柯肯達(dá)爾空洞，a: 回流后, b: 500循環(huán), c: 1000循環(huán) ( Xu et al., 2008)。
圖3: ENIG表面處理銅焊盤界面空洞生成圖示 (Kim et al., 2011)
ENIG表面處理的焊盤界面NiSnP層在熱循環(huán)后出現(xiàn)空洞。原因是Sn流向Ni3P的通量大于Sn從(Cu,Ni)6Sn5流向NiSnP的通量。擴(kuò)散差異導(dǎo)致了NiSnP層空洞出現(xiàn)。
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參考文獻(xiàn)
Kim, D., Chang, Jh., & Park, J. (2011), “Formation and behavior of Kirkendall voids within intermetallic layers of solder joints”. J Mater Sci: Mater Electron 22. pp.703–716.
Xu, L., Pang, J., & Che, F.X. (2008), “Impact of Thermal Cycling on Sn-Ag-Cu Solder Joints and Board-Level Drop Reliability”. Journal of Electronic Materials. 37. pp.880-886.
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