接触件焊点脆裂机理及解决方案

(四川华丰企业集团有限公司，四川绵阳，621000)

摘要:电子组件向无铅焊料的转变促使制造商在电子元器件或电路基板上使用纯锡或软金等材料来替代锡-铅可焊端接精饰。金有焊点脆裂风险，这就可能会降低焊点的机械寿命。对于脆裂材料及其机理，我们采用了特写和横截面图片，并显示其在SEM/EDS组成成分信息。文中还给出了金的重量百分比为3.0%和4.0%的焊料量和金的量的表，并探讨了脆裂问题的成因及确保可靠性的解决方案。这些数据对改进镀金工艺、避免焊点脆裂具有启发意义。

关键词：焊点;脆裂;机理;解决方案

1 引言

可靠的雷达电子硬件的制造有赖于在电子元器件和互连基板上生成高质量的表面镀层。可焊性和引线锚固强度是生产中评判表面金属镀层质量高低的两项参数。为了增强可焊性和引线的锚固强度，金和钯广泛应用于表面镀层的设计中。增强引线的锚固强度可以采用厚的纯金镀层。不过，可充分满足引线锚固强度要求的金镀层厚度对于可焊性而言又可能显得太厚，导致焊点脆裂。此外，表面的金属镀层可能会被用作元器件的插合表面或磨损表面，这会导致金镀层设计得过厚或杂质过多，难以达到理想的焊接效果。

在液相焊料合金转化形成焊点的过程中，如果过多的金或钯溶入焊点，那么，所形成焊点的元素组成和机械性能与原来的焊料合金相比就会大不相同。通常需要依照电子组件的设计，用特定焊料合金将它们焊接起来才能使它们正常地工作。因此，焊点元素组成的变化会影响其机械性能，并将导致其耐用性下降或发生未知的变化。

无论是按照完工状态原样保存还是让其受到环境应力的作用，焊接好的电子产品都有可能产生逐渐劣化的现象。如果金或钯金属在焊接过程中的溶解并不完全，那么在所残留的金镀层或镀钯层和焊点之间就会发生固态扩散，在硬件的使用寿命中产生冶金学范畴的变化，并带来可靠性方面的隐患。

在理解了上述内容的基础上，焊点脆裂现象就可以定义为焊点耐用性因为表面镀层(金或钯等)溶解和/或与焊点组分产生反应而产生的变化。在使用锡基焊料进行焊接过程中，金或钯镀层上会相应出现AuSn4或PdSn4的金属间化合物。这种化合物可能会大量出现在焊点或在表面镀层的界面上，或两者兼有。与软焊料合金相比，这些金属间化合物更脆，故在承受机械应变时，焊点的牢固度就会下降。在焊点成型过程中，随着焊点中金属间化合物成分的增加，诸如冲击强度和应变率敏感度等焊点的基本机械性能也会相应发生变化。

如果在富含金属锡的焊点中所产生的金属间化合物并不是上述含锡最多的Sn4型的金锡化合物或钯锡化合物，那么，这表明焊点在其成型的过程中尚未到达平衡的状态。因此，该焊点在冶金学范畴上的可靠性仍然存疑。焊接点性能会随着其在电子硬件使用寿命中逐渐趋向平衡状态而发生改变。

2 问题的描述与方法

由于人们担忧锡铅表面镀层中的铅(Pb)会从废弃的电子产品渗入到供水系统中，因此禁止在诸如电话和照相机等关键性较低的应用中使用这种表面镀层。

这种禁令促使人们更多地使用金和纯锡作为表面镀层。但是，缺少了阻止晶须生长的铅元素，纯锡的表面镀层会生长出晶须状的细丝，并因此导致短路或熔断。

而使用金、钯和金属铜的挑战则是这些元素会导致软焊点发生脆裂。因此，为了避免过多产生这样的脆裂，我们需要知道表面金镀层的最大厚度。同样，我们还需要确定金镀层的最小厚度，以免产生过多的孔隙，影响焊接质量。图1显示热氰化镀金工艺中孔隙率和金镀层厚度的关系。

孔隙率与金镀层厚度(微英寸)

图1 孔隙率与金镀层厚度(11.4~80微英寸)关系图

在通常情况下，金镀层被视作高度可焊的表面镀层。接下来本文给出了焊点脆裂的多种主要原理，并对各项原理的焊点脆裂提出了基于已有的行业标准和其他有报道的研究工作的、制造或设计层面的解决方案。

我们将常见的镀金、镀钯和焊料的量输入重量百分比计算公式中得到相应的结果，并对重量百分比计算公式进行了回顾和总结，然后提出了一些对标准的改进建议。

本文旨在避免焊点脆裂，并使表面金镀层和表面镀钯层在焊接和导线键合过程中的使用变得简单方便起来。

3 案例研究1-金锡化合物在界面上析出

3.1 案例研究1-数据

这里使用到的连接器插针的表面镀层设计是先镀镍然后再镀金，镀后再将这样的连接器插针蘸上熔融状态下的Sn63Pb37焊料合金。根据相关文献，金镀层很快就在熔融的锡铅焊料中溶解了。

将插针以侧面焊接至电路板上的、同样是先镀镍再镀金镀层设计的焊盘上。由于焊盘的金镀层很薄，完全可以避免在焊点中产生过多的脆裂，因此焊盘没有蘸上热熔的焊料。接点在焊接后在插针处开裂的情况如图2所示，对该焊点进行失效分析，其横截面如图3所示。

图2 从针到表贴电路板焊盘的焊点显露出一条裂缝

图3 金从电路板基底的焊盘上溶解，并且在接点(请参见椭圆部分)和插针(顶部黑色层)上可见

对电路板焊盘进行检查，发现存在如图4所示的、缺少镀镍扩散边界层的周缘部分。需要说明的是，按照对镀层的设计，镀镍层是用来完全覆盖住一层较厚金镀层的，在这样的镀镍层上还涂覆一层较薄的可焊金镀层。

图4 电路板焊盘俯视显示镍镀层并未覆盖住厚金层周边

3.2 案例研究1-结果

基底焊盘的表面镀层设计是外表面的金镀层覆盖住下面的镀镍层，但是镀镍的区域并未完全盖住镀镍层下的、较厚的金镀层。厚金层的边缘与焊点发生了接触。

在焊接过程中，边缘区域的金大量溶解到熔融焊料中并形成金锡化合物。当焊料固化时，大量金锡化合物在焊点靠插针的那一面析出。随着焊点开始冷却和凝固，AuSn4(凝固点为217℃)首先在插针上和焊点中析出，然后锡铅焊料(凝固点为183℃)在AuSn4上析出，并在插针上形成强度较低的界面。

在插针上析出的金锡化合物使焊点的强度较低，并在插针处开裂。图5显示我们在理解了上述原理后对总结出来的经验的应用。我们用镀镍层完全覆盖住焊盘上的厚金层。结果，焊点强度很高，并且没有发生脆裂现象。

图5 左边是改进后焊盘电镀设计的横截面，右边是特写图

如图5右边的箭头符号所示，当厚金层的边缘被图中暗灰色的镍薄镀层完全遮盖时，在焊点中就看不到金锡金属间化合物的出现;而根据Bester的观测结果，在Sn63Pb37焊料合金中至少要有重量百分比为1%~2%的金元素，才会看得到针尖状或薄片状的金锡化合物。

我们通过改进焊盘的设计解决了焊接界面在插针处发生分离的问题。采用新的设计后，焊盘处不再形成大量的AuSn4，在插针上或焊点中也检测不到AuSn4的存在。最重要的是，插针处不存在强度较低的界面。

4 案例研究2 - 软焊接接头中金过多

4.2 案例研究2-数据

焊接上的表面贴装连接器并不是总能顺利插拔。图6所示的连接器在图7所示的情况下会遇到插针焊点失效的问题。

图6 表贴连接器中心插针有时无法插入插孔或从插孔中拔出

图7 失效插针焊点的横截面

图9是图8左边角焊缝的特写图片。图10显示类似的特写图片，并使用SEM/EDS测量该区域元素构成。这一批的检视包括了焊点区域的绝大部分，这其中含有重量百分比为10%的金元素;此过程所使用的焊料合金为SnAg3.7。对另一处焊点区域进行的类似测量显示其中含有重量百分比为11%的金元素。

图8 插针焊点横截面图片

图9 图8左侧角焊缝特写图

图10 与图9类似的角焊缝，显示金(Au)、锡(Sn)和银(Ag)的分布形态

依照不同的焊点预成型体的量、浸锡过程和三种焊接工艺温度因素，我们进行了32组试验。各组试验对插针焊点组件的制造过程所涉及的独特设备和工艺都有针对性。

4.2 案例研究2-结果

在各项因素最优化之后，插针拉拔强度显著提高，数据见图11，实际效果见图12~14所示。

图11 减少插针和电路板上的金，增加电路板上的焊料量，良好地相互作用以增加插针的拉拔强度(克)

图12 在插针拉拔试验中，插针到电路焊点的强度很高，使得电路焊盘和电路板材料也被扯出电路板