一、Au脆现象的发现

Au是抗氧化性很强的金属，钎料对它有很好的润湿性。但如果钎料中Au的含量超过3%，焊出来的焊点就会变脆，机械强度下降。为此，美国宇航局（NASA）把除掉Au规定为焊接工作的一项义务。Au引起的接合部分脆化问题，在贝尔研究所的弗·高尔顿·福斯勤和马尔丁-欧兰德公司的杰·德·凯列尔等的研究报告中都有详细的分析。一般情况下，焊接时间很短，几秒内即可完成，所以Au不能在钎料中均匀地扩散，这样就会在局部形成高浓度层，这层的强度最低。此外，Au在焊接后光泽变差，颜色发白，从表面看很像冷接合或虚焊。在光亮镀Au时，会在镀层界面产生由聚积物引起的裂纹。由于Au的价值很贵，所以一般都镀得很薄，在0.1μm左右。这样薄的镀层，无论是测量还是厚度控制，都是很困难的。另外，因为很难搞清Au的覆盖层到底是多孔海绵状的还是细致而均匀的，所以镀Au后的基板质量能否有保证还存在疑问。镀Au还有一个缺点，即容易给人造成错觉，让人误以为钎料很容易在Au的表面润湿，所以焊接效果也会很理想，但实际上焊点却往往并没有焊好。另一个问题是PCB上的Au厚度是难于控制的。Au层可能太薄（如致密布线的区域）或太厚（如在绝缘电路中）。后者会使Au产生脆化，如焊点中金含量＞3wt%时，在较大PCB（＞250mm×250mm）组装较大BGA（＞25mm×25mm）的情况下，PCB的厚度应至少提高到2mm，以使PCB弯曲和挠曲现象达到最低水平。这样就可以降低或消除由于PCB的弯曲和挠曲导致的机械应力所造成的界面间失效。

二、焊点中Au含量对脆性的影响

在焊接过程中，Au溶解到钎料中，在凝固时析出AuSn4并均匀地分布在钎料中，BGA、CSP等在再流焊接的焊点中，Au的浓度通常都不会超过1wt%，故这些焊点通常不会变脆。但近来据有关文献报导，在焊点固相老化过程中，析出的AuSn4颗粒会从钎料内部向钎料和Cu间的界面运动，并在界面处导致脆性断裂。含有Au的由Sn37Pb钎料构成的焊点的机械性能（拉伸、剪切强度和延伸率）是随Au含量的不同而不同的。当Au的浓度低于Sn37Pb钎料的固体溶解度时，焊点的机械性能便随Au含量的增加而增加，达到最大的溶解度。此后焊点的机械强度将随Au含量的进一步增加而降低，延伸率随Au含量的增加而增加，在约3wt%处达到峰值，并在6wt%处急剧降低。据国外有关专家对该类焊点失效的数据统计和观察，通常认为Au的浓度应限制在3wt%为宜。W.Reidel的研究试验表明，当PBGA在ENIG Ni/Au表面贴装并按常规再流焊接，再在150℃温度下烘烤两周后进行第二次再流焊接。针对不同的阶段和条件，由焊点切片的SEM图可见：（1）刚再流焊后的试样，在钎料和PCB基板焊盘界面仅有一薄的Ni3Sn4层，在钎料中有AuSn4颗粒，如图1（a）所示。（2）经烘烤后的试样，Ni3Sn4层长大，AuSn4从钎料内部向钎料和PCB基板的界面迁移。由于金属间化合物中Au和Sn的比为1:4，所以即使很少量的Au也会生成较厚的AuSn4层，如图1（b）所示。（3）经烘烤后再进行再流焊接的试样焊点，AuSn4化合物层从界面溶解进入焊点，如图1（c）所示。

图1 焊点在不同条件下的切面SEM图

W.Reidel在研究试验中，还采用4点弯曲方式对上述3种条件进行进一步的测试，得到以上3种条件下的断裂载荷分别为45磅、30磅和45磅。其中（1）和（3）的断裂模式是相同的，是在焊点和PCB焊盘之间发生了劈裂，尤其是断裂发生在Ni3Sn4化合物层和富磷层之间的界面上，脆性界面断裂和ENIG镀层有关。而条件（2）在焊球和PCB焊盘，以及焊球和BGA焊盘的界面都发生断裂，而BGA焊盘的镀层为电解EG Ni/Au，在这一界面的脆性断裂与ENIG无关。PBGA组装件在150℃老化两周后的金脆，表明主裂纹在Au-Sn化合物和Ni-Sn化合物间扩展，裂纹穿过了Ni3Sn4化合物和Ni（P）+层，如图2（a）所示。图2（a），（b）所示为PBGA一侧的SEM图。图中亮的区域为AuSn4化合物，暗的区域为Ni3Sn4化合物，亮的斑点为富Pb钎料。图2（c），（d）所示为PCB一侧的断裂表面的SEM图。图中亮的区域为Ni3Sn4化合物，暗的区域为Ni-P，亮点为富Pb钎料。

图2 PBGA组装件在150℃老化两周后的金脆