无Pb焊点特有的工艺缺陷现象

2019-05-05 10:25

图17 温度及焊接气氛对起翘高度的影响

●采用冷却快的Cu引脚的元器件。●抑制基板的翘曲，测量的翘曲可以预测翘曲的发生率。（3）抑制凝固裂缝的对策。●采用靠近共晶组分或对起翘不明显的合金组织，如Sn4Ag0.9Cu附近的合金。（4）抑制焊盘剥离的对策。●采用附着力高的Cu基板：特别是在焊接进行过程中的高温情况。●改善基板自身的强度。●采用SMD定义的焊盘。●采取基板防湿对策。●优化安装设计：包含布线，以冷却效果为目标。二、Pb污染引起的现象1）结晶粒界的劣化微量Pb的存在将促进热疲劳龟裂的形成。图18示出了在金属化孔插入相同大小的引线时，其镀层种类从-40～125℃之间的温度循环（热疲劳）龟裂的发生及其效果：考察的基板为FR-4镀层，以SnPb和无铅SnCu作比较，引线未弯折，沿基板垂直方向观察，钎料、引线的膨胀差构成对龟裂发生的影响。

图18 受温度循环的影响

Sn0.7Cu圆角龟裂的发生状况及各种数据的影响根据CTE的大小整理得到下述结论：基板＞钎料＞Cu引线＞Fe引线在钎料圆角上龟裂的发生，可利用和基板垂直方向的热膨胀差来说明。图19所示是其钎料圆角的断面组织，而且，龟裂是沿着Sn的结晶的晶界行走的。经更细的EPMA面分析，像图20所示在晶界的某些局部可见到有Pb的浓缩。仿佛Pb在温度循环中聚集在Sn的晶界间，显然在此处强度是最弱的。

图19 100次循环后的圆角断面组织（基板：高α1）

图20 100次循环后圆角内龟裂和EPMA面分析（低α1/SnPb镀层/Cu电极）

2）由低温相形成的界面劣化Pb的混入产生偏析引起起翘和圆角剥离，在前面已作介绍。在SnAgPb系合金的场合下，其熔点可能降低到174℃，若再存在Bi的话，其熔点将进一步降低到100℃左右。所以必须禁止使用镀SnPb的元器件。图21示出了镀SnPb的QFP引脚焊接后焊点抗拉强度在高温保持试验中的变化情况。温度变化范围为75～125℃。到100℃时几乎没有劣化，表现了优良的耐热性，而当保持温度为125℃时，便出现了相当的劣化。这是由于作为主体的SnBiPb在界面上形成了低熔点相，有助于界面反应的进行。

图21 SnBi共晶钎料的QFP的高温保持试验

Sn58Bi作为200℃以下组装温度的低温钎料，在表面安装应用中在最高温度≤100℃时具有非常优良的可靠性。因此，美国在1990年实施NCMS规划时，它作为无铅钎料被认为是有用的，特将其选为3个候补中的一个。图22示出了其100h后焊点圆角的断面组积，不论是42合金侧还是Cu配线侧，其化合物层的厚度都增加了，特别是存在SnPb镀层的42合金侧的化合物增加到数十μm的厚度，形成了粗大的空洞。由组成成分分析，可以判断在引线侧界面存在有多量的Pb。在存在液体的状态时，元素的扩散与在固体中的扩散速率相比，速率差不多成倍数地增加，界面的反应极为剧烈，从而加速了界面的劣化。