無鉛錫膏的基礎(chǔ)知識百科 (5)_福英達(dá)焊錫膏
無鉛錫膏的基礎(chǔ)知識百科 (5)_福英達(dá)焊錫膏
回流焊后焊點缺陷有很多種類，例如柯肯達(dá)爾空洞，熱蠕變和電遷移。隨著電子元器件小型化發(fā)展，焊點尺寸日趨微型化，焊接的缺陷導(dǎo)致空洞面積越來越大。柯肯達(dá)爾空洞對焊點的可靠性帶來巨大的挑戰(zhàn)。同時隨著電子技術(shù)發(fā)展，焊點需要面對各種復(fù)雜服役溫度場景。在高溫作用下會在焊點生成熱應(yīng)力并導(dǎo)致焊點變形。此外電遷移會發(fā)生在電流密度大元器件中。
1. 柯肯達(dá)爾空洞
1.1成因
柯肯達(dá)爾效應(yīng)是一種無鉛錫膏焊接時常見的且會影響焊點可靠性的效應(yīng)。柯肯達(dá)爾空洞的形成主要是由取代固溶體化學(xué)成分的本征擴(kuò)散率差異（非互易擴(kuò)散）引起的。在熱老化過程中，焊點金屬間化合物層由于溫度影響會不斷生長。比如說SnAgCu無鉛錫膏制作的焊點在受熱時會加速金屬元素擴(kuò)散現(xiàn)象。在Cu3Sn和Cu6Sn相中，Cu是比Sn更快的擴(kuò)散組分。Cu向外擴(kuò)散要快于Sn向Cu擴(kuò)散 (Sn和Cu之間的原子通量不平衡)，因此在Cu3Sn內(nèi)部和Cu3Sn/Cu界面會留下空位。空位不斷積聚最終會發(fā)展為柯肯達(dá)爾空洞。
圖1. 柯肯達(dá)爾空洞形成示意圖。
1.2空洞影響及解決方法
不同金屬間化合物相對應(yīng)的熱膨脹系數(shù)不同會造成內(nèi)部應(yīng)力。在受到應(yīng)力作用下，焊點空洞附近會逐漸形成微裂紋。隨著應(yīng)力作用的疊加裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致脆性斷裂。由于空洞的出現(xiàn)會導(dǎo)致焊點機(jī)械可靠性降低, 因此空洞率需要控制在10%以內(nèi)。業(yè)界目前對于抑制空洞生成主要采用添加摻雜物質(zhì)的方法。例如往無鉛錫膏中加入鎳來起到抑制空洞的效果。鎳的加入使Cu3Sn層變薄。對于電鍍銅基板，添加少量鎳減少了空洞的數(shù)量。
2. 無鉛錫膏熱蠕變現(xiàn)象
2.1 成因
在高溫作用下形成的熱應(yīng)力作用于元器件和焊點會導(dǎo)致熱蠕變。焊點在使用過程中會不斷地受到熱循環(huán)的影響。由于電子器件, 基板和無鉛錫膏焊點的熱膨脹系數(shù)不匹配，不可避免地造成應(yīng)力。隨著溫度升高，原子擴(kuò)散速度加快，位錯開始移動，導(dǎo)致晶界滑移，從而使焊點出現(xiàn)塑性變形。
2.2 熱蠕變影響及解決方法
隨著老化時間增加，焊點處的應(yīng)變力會增加。當(dāng)工作溫度提高且載荷保持固定時，焊點會很快的變形并斷裂。類似的，在低溫環(huán)境和高載荷作用下，焊點依舊會變形并斷裂。有研究發(fā)現(xiàn)往無鉛錫膏中加入少量摻雜物例如Bi和Ni，可使錫銀銅無鉛錫膏位錯移動減少，起到提高抗熱蠕變作用。
圖2. 不同溫度下應(yīng)變力和時間的關(guān)系。
3. 無鉛錫膏電遷移
電子產(chǎn)品封裝密度和互連數(shù)增長的非常快，這大大增加了電流密度。而電流密度是電遷移現(xiàn)象的主要誘因。電遷移是在高電流密度下由于電子和金屬原子之間的動量轉(zhuǎn)移而引起的物質(zhì)遷移。電流密度增加會使元器件內(nèi)部的生成焦耳熱。溫度隨之上升并加速物質(zhì)擴(kuò)散和造成陰極側(cè)空洞生成，最終造成焊點開路問題。
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