焊點的失效模式有哪些 (4)
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焊點的失效模式有哪些 (4)
在使用無鉛錫膏進行焊接后，錫膏和焊盤界面會出現金屬間化合物(IMC) 生長。少量的IMC能夠起到焊點增強作用。但在元器件使用過程中，高溫會加快IMC的生長。過度生長的IMC會在焊點和焊盤界面形成空洞，降低焊點可靠性。本文簡短討論IMC在焊點和焊盤界面生長的影響。
電子封裝行業通常采用ENIG或者OSP工藝對PCB進行表面處理。界面IMC生長是影響焊點跌落性能的重要因素。熱應力作用下錫膏和焊盤的原子相互擴散作用造成了界面IMC生長。Xu et al. (2008)進行了SAC305錫膏焊點熱老化測試 (500, 1000和1500周期, -40℃-125℃)。在界面處發現了大量柯肯達爾空洞，并且焊點在跌落測試中出現界面斷裂。ENIG表面處理的焊盤在焊點處Ni(P)層出現垂直空洞 ( Xu et al., 2008)。
圖1是OSP和ENIG處理后的PCB的跌落測試。可以發現隨著熱循環次數增加，SAC錫膏焊點可承受跌落次數迅速下降。此外，OSP的抗跌落性能下降速度很快，500個循環后跌落次數就幾乎下降到了個位數。主要失效模式是IMC脆性斷裂。
圖1: OSP和ENIG處理的PCB焊點熱老化后的可承受跌落次數 ( Xu et al., 2008)。
原子間擴散速率不同是形成空洞的原因，體現在擴散快的金屬一側會出現空位。對于OSP處理的PCB來說，由于Cu原子擴散較快而Sn原子未能填補Cu遷移后的空缺位置，大量空位積聚形成柯肯達爾空洞。如圖2(b) 和2(c)所示，在Cu3Sn層中發現了大量空洞，且數量隨著熱循環數增加而增加。界面處連續性的空洞加快了SAC305錫膏焊點的脫落。
圖2: OSP處理的PCB界面處出現柯肯達爾空洞，a: 回流后, b: 500循環, c: 1000循環 ( Xu et al., 2008)。
圖3: ENIG表面處理銅焊盤界面空洞生成圖示 (Kim et al., 2011)
ENIG表面處理的焊盤界面NiSnP層在熱循環后出現空洞。原因是Sn流向Ni3P的通量大于Sn從(Cu,Ni)6Sn5流向NiSnP的通量。擴散差異導致了NiSnP層空洞出現。
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參考文獻
Kim, D., Chang, Jh., & Park, J. (2011), “Formation and behavior of Kirkendall voids within intermetallic layers of solder joints”. J Mater Sci: Mater Electron 22. pp.703–716.
Xu, L., Pang, J., & Che, F.X. (2008), “Impact of Thermal Cycling on Sn-Ag-Cu Solder Joints and Board-Level Drop Reliability”. Journal of Electronic Materials. 37. pp.880-886.
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