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1、無鉛焊接工藝中常見缺陷及防止措施（2）摘要：無鉛化電子組裝中，由于原材料的變化帶來了一系列工藝的變化，隨之產生許多新的焊接缺陷。本文針對“晶須”現象、離子遷移和元素污染三種缺陷進行了產生機理分析，并給出了相應的解決措施。關鍵詞：無鉛；焊點；晶須；離子遷移；元素污染SolderDefectsandSolutionsinLead-freeSolderingTechnology（2）1ShiJianwei,WangLe,LiangYongjun,WangHongping,ChaiYongSunEastElectronicTec
2、hnologyCompanyLt.d,Shenzhen,518103ChinaAbstract:Changesofmaterialbringaseriesofprocessproblemsinlead-freeelectronicassemblywithoccurrenceofnewsolderdefects.Thispaperanalyzescausesandgivessolutionofsolderdefectsforwhisker,ionmigrationandelementcontamination.Keywor
3、ds:Lead-free,SolderJoint,Whisker,IonMigration,ElementContamination1.引言無鉛化制程導入過程中，釬料、PCB焊盤及元件鍍層的無鉛化工藝配合新焊劑使用逐步得到廣泛應用，隨之產生的各種焊接缺陷，比如“晶須”現象、離子遷移和元素污染等困擾著實際生產的順利進行。本文主要針對以上提到的幾種主要缺陷進行原因分析并給出相應解決措施。2.晶須晶須易發(fā)生在Sn、Zn、Cd和Ag等低熔點金屬表面，其有不同的形式，如針狀、小丘狀、柱狀、花狀、發(fā)散狀等，如圖1所示，對產品質量影響
4、最大的是柱狀和針狀，因為他們最容易導致電路短路。錫須是從純錫鍍層表面自發(fā)生長出來一種細長形狀的錫單晶，直徑0.3～10um（典型1～3um），長度1～1000um不等。錫須會引起短路，斷裂后落在某些移動及光學器件中引起這些器件的機械損害，如處于相鄰導體之間可能產生弧光放電，燒壞電氣元件等。圖2為實際應用中在元件引腳/焊端間出現的晶須現象，已。2.1產生機理錫須生長模型主要有重結晶模型；金屬間化合物模型；鍍層與基體之間的熱膨脹系數不匹配引發(fā)了錫須生長模型；鍍層表面錫的氧化物形成引發(fā)錫須生長模型；表面錫氧化物存在缺陷或裂紋，
5、在內部力的作用下錫被擠出形成錫須生長模型；基體金屬原子擴散進入鍍層中引發(fā)錫須生長模型。目前金屬間化合物模型普遍被人們接受。銅擴散到錫中形成Cu6Sn5金屬化合物，由于其熱膨脹系數小于釬料且生長不規(guī)則，如圖3所示，就對錫產生壓應力，如氧化層有缺口，則錫原子沿著晶界進行擴散并被擠出形成錫須。表面上看錫須是由鍍層中的外部壓力引起，本質上是錫的遷移引起。錫表面的氧化物由于缺陷點陣導致螺旋位錯，錫須往往在此生長，而且生長的方位基本在<100>方位。壓應力是晶須形成的驅動力，產生壓應力的原因還包括：沖壓、冷卻、鍛造加工造成的基底初始
6、內應力，電鍍化學物質（如有機添加劑、光亮劑）可能增加的鍍層殘余應力，溫度、濕度（>80RH%）變化造成的環(huán)境應力，外在機械負載（固定件的扭轉和操作刮傷）和振動沖擊產生的應力及電遷移作用等。此外，塑性變形使晶須發(fā)生再結晶的可能性增加，也輔助和誘發(fā)晶須的形成。圖1各種形狀的錫須圖2元件引腳/焊端上出現的晶須圖3Sn晶須產生機理不規(guī)則生長的IMC產生內壓力2.2錫須生長試驗根據產生機理和應力模型，錫須有三類，其生長試驗測試方法見表1所示。表1三類錫須產生機理及觀察試驗方法檢測標準：小于50um錫須分類產生機理依據標準試驗方法（
7、掃面電鏡檢查測試）Cu擴散至Sn恒溫錫須JEITA/NEMI20℃～25℃，55±25％RH，1000小時引起內應力Sn氧化60℃，90±5％RH/60℃，93+2/-3％RH濕熱錫須JEDEC/NEMI產生內應力1000小時Cu/IMC/Sn間熱沖擊-55℃/-40℃～+85℃CTE不匹配JEITA/NEMI錫須3個循環(huán)/小時，1000循環(huán)引起內應力2.3解決措施存在應力梯度的情況下，錫原子就通過晶界擴散和體擴散（溫度超過80～100℃）來傳輸，一般于薄膜表面晶界取向。錫原子移入錫須的根部產生了突起的表面層，并產生扭曲
8、晶界。由于電鍍制造商不能對晶界擴散過程做任何可行的控制，沒有辦法沉積單晶錫膜，所以無法抑制晶須的形成和生長。在高密度組裝狀態(tài)（元件間距100um），各種各樣熱沖擊下錫須的成長壽命測算可以根據艾林公式求得：lnL=69.04?12.66ln?T（1）50其中l(wèi)nL為錫須長到50um時經歷的老化循環(huán)數，?T為熱沖擊溫度幅
