无铅焊接工艺中常见缺陷及防止措施

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1、无铅焊接工艺中常见缺陷及防止措施（2）摘要：无铅化电子组装中，由于原材料的变化带来了一系列工艺的变化，随之产生许多新的焊接缺陷。本文针对“晶须”现象、离子迁移和元素污染三种缺陷进行了产生机理分析，并给出了相应的解决措施。关键词：无铅；焊点；晶须；离子迁移；元素污染SolderDefectsandSolutionsinLead-freeSolderingTechnology（2）1ShiJianwei,WangLe,LiangYongjun,WangHongping,ChaiYongSunEastElectronicTec

2、hnologyCompanyLt.d,Shenzhen,518103ChinaAbstract:Changesofmaterialbringaseriesofprocessproblemsinlead-freeelectronicassemblywithoccurrenceofnewsolderdefects.Thispaperanalyzescausesandgivessolutionofsolderdefectsforwhisker,ionmigrationandelementcontamination.Keywor

3、ds:Lead-free,SolderJoint,Whisker,IonMigration,ElementContamination1.引言无铅化制程导入过程中，钎料、PCB焊盘及元件镀层的无铅化工艺配合新焊剂使用逐步得到广泛应用，随之产生的各种焊接缺陷，比如“晶须”现象、离子迁移和元素污染等困扰着实际生产的顺利进行。本文主要针对以上提到的几种主要缺陷进行原因分析并给出相应解决措施。2.晶须晶须易发生在Sn、Zn、Cd和Ag等低熔点金属表面，其有不同的形式，如针状、小丘状、柱状、花状、发散状等，如图1所示，对产品质量影响

4、最大的是柱状和针状，因为他们最容易导致电路短路。锡须是从纯锡镀层表面自发生长出来一种细长形状的锡单晶，直径0.3～10um（典型1～3um），长度1～1000um不等。锡须会引起短路，断裂后落在某些移动及光学器件中引起这些器件的机械损害，如处于相邻导体之间可能产生弧光放电，烧坏电气元件等。图2为实际应用中在元件引脚/焊端间出现的晶须现象，已。2.1产生机理锡须生长模型主要有重结晶模型；金属间化合物模型；镀层与基体之间的热膨胀系数不匹配引发了锡须生长模型；镀层表面锡的氧化物形成引发锡须生长模型；表面锡氧化物存在缺陷或裂纹，

5、在内部力的作用下锡被挤出形成锡须生长模型；基体金属原子扩散进入镀层中引发锡须生长模型。目前金属间化合物模型普遍被人们接受。铜扩散到锡中形成Cu6Sn5金属化合物，由于其热膨胀系数小于钎料且生长不规则，如图3所示，就对锡产生压应力，如氧化层有缺口，则锡原子沿着晶界进行扩散并被挤出形成锡须。表面上看锡须是由镀层中的外部压力引起，本质上是锡的迁移引起。锡表面的氧化物由于缺陷点阵导致螺旋位错，锡须往往在此生长，而且生长的方位基本在<100>方位。压应力是晶须形成的驱动力，产生压应力的原因还包括：冲压、冷却、锻造加工造成的基底初始

6、内应力，电镀化学物质（如有机添加剂、光亮剂）可能增加的镀层残余应力，温度、湿度（>80RH%）变化造成的环境应力，外在机械负载（固定件的扭转和操作刮伤）和振动冲击产生的应力及电迁移作用等。此外，塑性变形使晶须发生再结晶的可能性增加，也辅助和诱发晶须的形成。图1各种形状的锡须图2元件引脚/焊端上出现的晶须图3Sn晶须产生机理不规则生长的IMC产生内压力2.2锡须生长试验根据产生机理和应力模型，锡须有三类，其生长试验测试方法见表1所示。表1三类锡须产生机理及观察试验方法检测标准：小于50um锡须分类产生机理依据标准试验方法（

7、扫面电镜检查测试）Cu扩散至Sn恒温锡须JEITA/NEMI20℃～25℃，55±25％RH，1000小时引起内应力Sn氧化60℃，90±5％RH/60℃，93+2/-3％RH湿热锡须JEDEC/NEMI产生内应力1000小时Cu/IMC/Sn间热冲击-55℃/-40℃～+85℃CTE不匹配JEITA/NEMI锡须3个循环/小时，1000循环引起内应力2.3解决措施存在应力梯度的情况下，锡原子就通过晶界扩散和体扩散（温度超过80～100℃）来传输，一般于薄膜表面晶界取向。锡原子移入锡须的根部产生了突起的表面层，并产生扭曲

8、晶界。由于电镀制造商不能对晶界扩散过程做任何可行的控制，没有办法沉积单晶锡膜，所以无法抑制晶须的形成和生长。在高密度组装状态（元件间距100um），各种各样热冲击下锡须的成长寿命测算可以根据艾林公式求得：lnL=69.04−12.66ln∆T（1）50其中lnL为锡须长到50um时经历的老化循环数，∆T为热冲击温度幅