焊點的失效模式有哪些 (3)
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焊點的失效模式有哪些 (3)
由于法律要求和環境保護要求，無鉛錫膏替代有鉛錫膏勢在必行。但是這過程不是一蹴而就的，畢竟不同技術發展不是完全同步的。因此在目前一些焊接中可能需要同時用到有鉛和無鉛焊接兩種工藝。鉛的存在會對焊點可靠性有負面作用。本文主要介紹鉛污染對焊接效果的影響。
混合使用有鉛和無鉛焊料對焊點可靠性有著潛在影響。舉個例子，當無鉛錫膏和有鉛錫膏搭配使用時會發生向后兼容性。Sn63Pb37錫膏熔點要低于SAC合金，因此焊盤上的Sn63Pb37會先熔化，而SAC焊球仍未熔化。熔化后的Pb會擴散到SAC焊球晶粒邊界，從而產生的焊點性質不穩定且容易失效。所以需要對回流曲線進行調整并匹配錫膏熔點，回流時間，冷卻時間等。
圖1: 混合焊料使用案例
鉛污染影響
Seelig和Suraski (2001) 往Sn95.5Ag4Cu0.5焊料中加入Pb進行焊接并測試抗疲勞屬性。結果發現Pb含量增加會降低焊點抗疲勞能力，意味著焊點更快失效 (圖2)。Key Chung et al. 也對鉛污染的影響進行實驗研究，故意將Pb加入無鉛焊料Sn95Ag4.5Cu0.5中，形成97wt%SnAgCu和3wt%Pb金屬比例。DSC結果發現Pb在179℃時會與Sn/Ag發生界面反應生成Sn62Pb36Ag2三元結構并出現柯肯達爾空洞。Sn62Pb36Ag2生長主要發生在冷卻階段，且與冷卻速率呈反比關系。
圖2: 焊點抗疲勞測試結果。
對于向后兼容性。當峰值回流溫度低于SAC合金熔點時，Pb會沿著SAC晶界擴散。這會導致無鉛焊料球晶粒粗化 (如圖3所示)。此外，由于回流溫度低于焊料球熔點，焊料球未能有效溶解，從而形成了異常的形狀 (Key Chung et al., 2002)。由此生成的焊點可靠性低，在熱循環中容易疲勞并失效。
圖3: 回流溫度比無鉛焊球熔點低時，Pb沿著晶界擴散。黑色/灰色-富鉛區域，棒狀-Ag3Sn, 灰色顆粒-Cu6Sn5
圖4: 冷卻過程焊料球未能完全坍塌，導致焊點形狀異常。
對于使用完全無鉛焊料的系統來說，晶粒粗化程度較小并減少了再結晶。因此焊點的可靠性會比鉛污染的焊接系統高。
深圳市福英達對高可靠性無鉛錫膏生產有著相當成熟的經驗和技術。福英達無鉛錫膏囊括低溫系列和中高溫系列。SnBiAg系列無鉛錫膏能用于低溫焊接環境，減少熱應力帶來的焊盤翹曲等問題。SnAg3Cu0.5系列中溫錫膏熔點217℃左右，焊點推拉力和導電性優秀。對于高溫環境如功率器件等設備封裝，福英達金錫錫膏能發揮出其高熔點(280℃)的特點。
參考文獻
Key Chung, C., Aspandiar, R., Foo Leong, L., & Siew Tay, C. (2002), “The Interactions of Lead (Pb) in Lead Free Solder (Sn/Ag/Cu) System”, 52nd Electronic Components and Technology Conference.
Seelig, K., & Suraski, D. (2001), “Lead-Contamination in Lead-Free Electronics Assembly”.
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