無鉛錫膏的基礎知識百科 (5)_福英達焊錫膏
無鉛錫膏的基礎知識百科 (5)_福英達焊錫膏
回流焊后焊點缺陷有很多種類，例如柯肯達爾空洞，熱蠕變和電遷移。隨著電子元器件小型化發展，焊點尺寸日趨微型化，焊接的缺陷導致空洞面積越來越大。柯肯達爾空洞對焊點的可靠性帶來巨大的挑戰。同時隨著電子技術發展，焊點需要面對各種復雜服役溫度場景。在高溫作用下會在焊點生成熱應力并導致焊點變形。此外電遷移會發生在電流密度大元器件中。
1. 柯肯達爾空洞
1.1成因
柯肯達爾效應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。柯肯達爾空洞的形成主要是由取代固溶體化學成分的本征擴散率差異（非互易擴散）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散現象。在Cu3Sn和Cu6Sn相中，Cu是比Sn更快的擴散組分。Cu向外擴散要快于Sn向Cu擴散 (Sn和Cu之間的原子通量不平衡)，因此在Cu3Sn內部和Cu3Sn/Cu界面會留下空位。空位不斷積聚最終會發展為柯肯達爾空洞。
圖1. 柯肯達爾空洞形成示意圖。
1.2空洞影響及解決方法
不同金屬間化合物相對應的熱膨脹系數不同會造成內部應力。在受到應力作用下，焊點空洞附近會逐漸形成微裂紋。隨著應力作用的疊加裂紋進一步擴展，最終導致脆性斷裂。由于空洞的出現會導致焊點機械可靠性降低, 因此空洞率需要控制在10%以內。業界目前對于抑制空洞生成主要采用添加摻雜物質的方法。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量。
2. 無鉛錫膏熱蠕變現象
2.1 成因
在高溫作用下形成的熱應力作用于元器件和焊點會導致熱蠕變。焊點在使用過程中會不斷地受到熱循環的影響。由于電子器件, 基板和無鉛錫膏焊點的熱膨脹系數不匹配，不可避免地造成應力。隨著溫度升高，原子擴散速度加快，位錯開始移動，導致晶界滑移，從而使焊點出現塑性變形。
2.2 熱蠕變影響及解決方法
隨著老化時間增加，焊點處的應變力會增加。當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，在低溫環境和高載荷作用下，焊點依舊會變形并斷裂。有研究發現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. 不同溫度下應變力和時間的關系。
3. 無鉛錫膏電遷移
電子產品封裝密度和互連數增長的非常快，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移而引起的物質遷移。電流密度增加會使元器件內部的生成焦耳熱。溫度隨之上升并加速物質擴散和造成陰極側空洞生成，最終造成焊點開路問題。
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