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一文了解金属偏析现象

导读: 在电子组装焊接中,偏析是一种冶金过程中发生的缺陷,由于焊点各部分化学成分不一致,势必使其机械及物理性能也不一样,这样就会影响焊点的工作效果和使用寿命,因此,在生产中必须防止合金在凝固过程中发生偏析。

一、偏析的定义及分类

1.偏析定义金属合金中各部分化学成分的不均匀性,称为偏析。在电子组装焊接中,偏析是一种冶金过程中发生的缺陷,由于焊点各部分化学成分不一致,势必使其机械及物理性能也不一样,这样就会影响焊点的工作效果和使用寿命,因此,在生产中必须防止合金在凝固过程中发生偏析。

2.偏析分类在PCBA制造和应用中,常见的偏析可有下述3种类型,即晶内偏析、区域偏析和比重偏析。对于某一种合金而言,所产生的偏析往往有一种主要形式,但有时由于条件的影响,几种偏析也可能同时出现。1)晶内偏析在同一个晶粒内,各部分化学成分不均匀的现象称为“晶内偏析”,又称“树枝状晶偏析”,简称“枝晶偏析”。液体金属在其凝固过程中,多是按树枝状方式长大的。首先形成树枝状晶轴,然后依次长出二次、三次……晶轴,逐渐将液体所占据的枝晶空隙填满,结晶过程亦告结束。因此,必然导致树枝状晶轴与晶轴之间成分的不均匀性。晶内偏析往往在初晶轴线上含有熔点较高的成分多。如Sn青铜在晶粒轴上往往含铜较多,含Sn较少,而枝晶边缘则相反。产生晶内偏析,一般有两个先决条件:●首先,合金的凝固过程存在一定的温度范围;●其次,合金结晶凝固过程中原子扩散速度小于结晶生长速度。一般情况下,合金的凝固温度范围越大,焊点结晶及冷却速度越快,则原子扩散越难于进行完全,晶内偏析现象越严重。因此,晶内偏析多发生于凝固温度范围较大,能形成固熔体的合金中。2)区域偏析各区域成分不一致的现象称为“区域偏析”,即整个焊点断面上,各部分化学成分不一致的现象。它主要是由于合金进行选择凝固造成的。区域偏析分:●正向偏向:熔点较低的成分或合金元素溶质集中在焊点的中心和上部;●逆向偏析:与正向偏析相反,熔点较低的成分或合金元素溶质集聚在加工件的边缘。合金在一定温度范围内结晶,是产生区域偏析的基本原因,当凝固温度范围较小时,一般倾向于产生正向偏析;而当凝固温度范围较大,树枝状晶又很发达时,较易产生逆向偏析。3)比重偏析由于合金中两组元素比重不同,而在同一工件中出现上下部分成分不一致的现象,称为比重偏析。例如,波峰焊接用钎料槽内,由于所使用的SnPb钎料中的Sn和Pb的比重不同,钎料槽中的钎料不论是熔融状态还是凝固状态,在钎料槽底部的钎料往往是富Pb的。波峰焊接过程中,钎料槽中的钎料一旦搅拌不充分,就会因钎料槽中的钎料因比重偏析而在底部成为富Pb区,致使工作波峰上的钎料偏离共晶组分,导致钎料润湿性劣化,温度特性变差而导致焊接缺陷。对于易产生比重偏析的合金,必须采取措施,防止缺陷的形成。如加强对钎料槽中钎料的搅拌和加快焊后焊点的冷却速度等。

二、偏析对焊点可靠性的影响

偏析对焊点可靠性的影响,可举例如下。(1)偏析少的微细强化相均匀分布的钎料结晶组织是人们所追求的。然而由于偏析等原因形成的低熔点脆性相,即使在低应力下也会成为破坏的起点。(2)M.Date等人在研究沿钎料和Cu界面疲劳裂纹的生长速率与释放的应变能与老化时间的关系时,在140℃下老化7~30天,由于Sn进入金属间化合物层,老化产生了一个紧挨着界面IMC的连续的富Pb相区域,它提供了疲劳裂纹易于扩展的途径。疲劳裂纹扩展的阈值应变能释放率在刚再流状态下的25J/m2到老化30天后的10J/m2之间变化。(3)在热循环试验中,可识别出元器件和PCB焊盘界面间的AuSn合金层,因为在再流过程中浸Au层会溶解于钎料中。界面上含Au量高形成的AuSn4层则相邻于富Pb区域,如图1所示。

金属偏析现象

图1

建立在相邻于该层的局部富Pb区的界面是不牢固的。缺陷有可能快速蔓延,并沿着AuSn4金属化合物产生断裂。(4)使用扫描电镜(SEM)对焊点进行检测,图2和图3所示分别为TCA热循环后失效的显微照片和Pb的分布图。观察这两种失效,可以发现裂纹是沿着富Pb区开始和扩展的。

金属偏析现象

图2 TCA热循环试验后的失效焊点

金属偏析现象

图3 TCA热循环试验后失效焊点的Pb分布图

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