一、凝固过程生成的缺陷

1、概述

目前，正处于从有Pb钎料向无Pb钎料过渡之中，与凝固有关的一些问题将会突显出来，如微偏析、起翘、缩孔、焊盘剥离、PBGA封装体翘曲等。这些现象虽然在SnPb钎料中有时也会发生，如当基板吸湿后也会引起焊盘剥离，但在组装中这种缺陷并不经常发生，因而不会引起过分的关注。然而对于无Pb焊接，由钎料凝固过程所引发的缺陷却是一种高发的较为普遍的现象。为了改善无Pb化产品的可靠性，提高产品质量，国外已开始对焊接凝固现象开展了系统的研究，旨在搞清楚焊接凝固中所引发的各种缺陷现象的机理和抑制的对策。凝固现象引发的问题也是最深刻的问题，它以“起翘”为中心来展开对其缺陷形成机理的研究。在日本将起翘现象称为“リフトオフ”，在欧洲称为“Lift-off”，在美国称为“Fillet-lifting”。

2、初晶粗大的金属间化合物的形成

标准的无Pb钎料主要是SnAgCu、SnCu之类，和SnPb钎料相比，它们生成的金属间化合物不同。金属间化合物生长晶粒较粗大，从状态图可以预测到，如SnAg二元合金状态图如图1所示。在状态图的右侧Ag的浓度高，相的构成要稍许复杂些。该侧和通常的焊点没有关系，主要是位于左侧的Sn浓度的构成是最重要的。SnAg的共晶成分是Sn3.5Ag。如Ag3Sn的组成范围从图的左侧即可看岀。

图1 SnAg二元合金状况图

在SnPb场合随着Pb含量的变化有多种多样的合金成分，和共晶组分Sn37Pb相比，即此Pb的含量在共晶组分上下变化，也不会引起剧烈的机械性能的变化。然而像SnAg这样的无Pb钎料形成的金属间化合物就不一样了，从共晶组分向化合物侧不可能没有明显的波动。例如，Ag量从零增加其抗拉强度也增加，而延伸率有所减小。但当Ag量超过3.5wt%时，抗拉强度显著下降。此时，除析出微细的Ag3Sn相外还会有数十μm的粗大板状Ag3Sn相形成，如图2所示。人们把这个粗大的Ag3Sn叫做初晶，它是在钎料凝固过程初始析出的固态组织。这种粗大的金属化合物相的形成，不仅使强度低下，而且蠕变、疲劳和冲击等特性都会受到严重影响。

图2 在Sn3.9Ag0.6Cu钎料球中形成的粗大板状Ag3Sn初晶（右图是用蚀刻提取的化合物图像）

对于SAC305无Pb钎料来说，初晶金属间化合物是细长棒状的Cu6Sn5，未见到Ag3Sn初晶。当Ag量增加后，在初晶Cu6Sn5棒状粒子中才增加了相当粗大的板状粒子的初晶Ag3Sn，如图3所示。

图3 SnAgCu合金生成的粗大化初晶金属间化合物及其影响

3、焊盘边缘起翘（1）现象描述。起翘是无铅波峰焊接中的高发性缺陷，在单面PCB上不发生，只发生在金属化通孔的基板上，而且目前尚缺乏通用的对策。在发现起翘现象的初期，最先对其进行研究的是英国的Vincent，他用Sn7.5Bi2Ag0.5Cu钎料合金，对双面都有铜焊盘的金属化通孔的PCB进行波峰焊接，发现在铜焊盘和钎料圆角的界面发生剥离现象。随后，又发现许多含Bi的合金系也存在此现象。而且即使不含Bi，只要在搭载的元器件的焊端镀了SnPb合金，同样也会发生，如图4所示。

图4 镀SnPb的引线在波峰焊接时生成的起翘现象

（2）焊盘边缘起翘现象发生的机理。① 材料间CTE严重不匹配。基板和钎料、Cu等的热膨胀系数的失配是引发起翘现象的一个重要因素。基板是纤维强化的塑料（FRP），它沿板面方向的热膨胀系数小，可以确保被搭载的电子元器件的热变形小。作为复合材料，面积方向的热膨胀和垂直方向的热膨胀差异很大，沿板面垂直方向的收缩是很大的（例如，FR-4厚度方向的热膨胀系数CTE是Sn的10倍以上）。如果在界面上存在液相，只要圆角有热收缩便会从基板上翘起来，而且一旦翘起来就不能复原。② 含Pb、Bi等合金元素的影响。Bi添加在无Pb钎料中，是作为一种降低熔点改善润湿性的合金元素。图5示出了SnBi二元合金在Sn侧的状态图，从状态图中可见在Sn侧固、液共存区温度范围变大。

图5 SnBi二元合金在Sn侧的状态图