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Au脆现象发生的冶金机制及控制

2019-03-21 10:02
可靠性杂坛
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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

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