焊点的失效模式有哪些？

由于法律要求和环境保护要求，无铅锡膏替代有铅锡膏势在必行。但是这过程不是一蹴而就的，毕竟不同威廉希尔官方网站 发展不是完全同步的。因此在目前一些焊接中可能需要同时用到有铅和无铅焊接两种工艺。铅的存在会对焊点可靠性有负面作用。本文主要介绍铅污染对焊接效果的影响。

混合使用有铅和无铅焊料对焊点可靠性有着潜在影响。举个例子，当无铅锡膏和有铅锡膏搭配使用时会发生向后兼容性。Sn63Pb37锡膏熔点要低于SAC合金，因此焊盘上的Sn63Pb37会先熔化，而SAC焊球仍未熔化。熔化后的Pb会扩散到SAC焊球晶粒边界，从而产生的焊点性质不稳定且容易失效。所以需要对回流曲线进行调整并匹配锡膏熔点，回流时间，冷却时间等。

图1: 混合焊料使用案例

铅污染影响
Seelig和Suraski (2001) 往Sn95.5Ag4Cu0.5焊料中加入Pb进行焊接并测试抗疲劳属性。结果发现Pb含量增加会降低焊点抗疲劳能力，意味着焊点更快失效 (图2)。Key Chung et al. 也对铅污染的影响进行实验研究，故意将Pb加入无铅焊料Sn95Ag4.5Cu0.5中，形成97wt%SnAgCu和3wt%Pb金属比例。DSC结果发现Pb在179℃时会与Sn/Ag发生界面反应生成Sn62Pb36Ag2三元结构并出现柯肯达尔空洞。Sn62Pb36Ag2生长主要发生在冷却阶段，且与冷却速率呈反比关系。

图2: 焊点抗疲劳测试结果。

对于向后兼容性。当峰值回流温度低于SAC合金熔点时，Pb会沿着SAC晶界扩散。这会导致无铅焊料球晶粒粗化 (如图3所示)。此外，由于回流温度低于焊料球熔点，焊料球未能有效溶解，从而形成了异常的形状 (Key Chung et al., 2002)。由此生成的焊点可靠性低，在热循环中容易疲劳并失效。

图3: 回流温度比无铅焊球熔点低时，Pb沿着晶界扩散。黑色/灰色-富铅区域，棒状-Ag3Sn, 灰色颗粒-Cu6Sn5


图4: 冷却过程焊料球未能完全坍塌，导致焊点形状异常。

对于使用完全无铅焊料的系统来说，晶粒粗化程度较小并减少了再结晶。因此焊点的可靠性会比铅污染的焊接系统高。

深圳市福英达对高可靠性无铅锡膏生产有着相当成熟的经验和威廉希尔官方网站 。福英达无铅锡膏囊括低温系列和中高温系列。SnBiAg系列无铅锡膏能用于低温焊接环境，减少热应力带来的焊盘翘曲等问题。SnAg3Cu0.5系列中温锡膏熔点217℃左右，焊点推拉力和导电性优秀。对于高温环境如功率器件等设备封装，福英达金锡锡膏能发挥出其高熔点(280℃)的特点。

参考文献
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”, 52ndElectronic Components and Technology Conference.

Seelig, K., & Suraski, D. (2001),“Lead-Contamination in Lead-Free Electronics Assembly”.

审核编辑 黄宇