筆者曾在前期，首先以銲點(diǎn)空洞、銲環(huán)浮裂，與引腳錫須等三大缺失，說明無鉛焊接比現(xiàn)行之有鉛焊接，存在著更多更惡劣的不良品質(zhì)。事實(shí)上還有更多的隱憂，致令無鉛焊接之可靠度不免為之大打折扣。此等種種負(fù)面品質(zhì)的呈現(xiàn)，尚待業(yè)界與供應(yīng)商們爭取時(shí)效加緊努力，試圖解決某些痛苦以及某些已知與未知的難題，否則必將會(huì)在上下游與周邊等各種供需之間，造成無窮的糾紛與無盡的困擾。
       一、主流銲料的形成
       無鉛焊料目前已敲定“錫銀銅”之SAC305(S n 9 6.5％、A g 3.0％、C u 0.5％)或SAC405(S n 9 5.5％、A g 4.0％、C u 0.5％)等標(biāo)稱(N O m i n a 1)重量比之合金為主流，業(yè)界已做大量的多樣性試驗(yàn)，建立了量產(chǎn)可用的溫時(shí)線與多種失效模式的范例與共識(shí)，且也獲取了若干實(shí)務(wù)信心。上下游幾乎不可能再去花費(fèi)更多的精力與時(shí)間，對(duì)于其他合金銲料另行大幅研究。日本業(yè)者常用熔點(diǎn)較低的“錫鋅鉍”合金(S n 8 9％、Z n 8.0％、B i 3.0％)，或其他含銻(S b)含銬(G e)或含鎳(N i)的各種銲料；事實(shí)上歐美下游的各大O E M客戶們很少予以認(rèn)同，一旦出了問題，只好在缺乏公正仲裁下自謀解困之道了http://blvck.com.cn/
此為無鉛SAC與有鉛Sn63兩種熔焊(Relow)溫時(shí)曲線(PrOnle)的比較情形

       圖1、此為無鉛SAC與有鉛Sn63兩種熔焊(Relow)溫時(shí)曲線(PrOnle)的比較情形。
       主流之兩種錫銀銅焊料中又以SAC305略占上風(fēng)，原因之一是少了1%的銀份其成本自然較便宜，其二是銲點(diǎn)中長條狀A(yù) g3S n的不良IMC也為之減少。目前之S A C 3 O 5合金配方專利，系日本千住金屬與美國愛荷華大學(xué)所共同擁有，凡採用之各國銲料供應(yīng)商皆須付給專利費(fèi)用。
       至于波焊，waVeSolderin g，與PCB的噴錫制程，雖然也能採用SAC305，但為節(jié)省成本起見，亦可採用較便宜的錫銅合金（Sn99.3％ by w t，C u 0.7％b y w t)，但其熔點(diǎn)卻比SAC305高出l 0℃而達(dá)227℃。更因此料之沾錫時(shí)間要比S n 6 3／P b 3 7者長了很多，故其峰溫2 6 5-2 7 0℃中之停留時(shí)間，也需自原本有鉛的3—4秒延長到4—5秒。
且當(dāng)波焊或噴錫其錫池中的銅量增多0.2％by wt時(shí)，其液化溫度還將再上個(gè)升6℃，對(duì)于板材與零件的傷害都會(huì)增大。此等傷害對(duì)于面積較大厚度較厚的大板面，更是雪上加霜災(zāi)難連連，經(jīng)常會(huì)造成分層爆板的悲慘下場。一旦大型空板曾經(jīng)過噴錫270℃，強(qiáng)大熱應(yīng)力折磨者，4-7秒，，其后續(xù)之汲焊更難。從成本與品質(zhì)而言，是否選用2 2 7，C的錫銅合金進(jìn)行噴錫與波焊，的確值得三思。
       二、介面微洞
       （一）、介面微洞的位置
       當(dāng)銲料(So1der)在P C B銲墊(P a d s)基地上形成銲點(diǎn)(So1der Poi nt)之瞬間，該銲墊基地(指銅與鎳而言)與銲點(diǎn)主體銲料之間，經(jīng)常會(huì)發(fā)生許多微小空洞。此種處于介面而直徑小于40μm的微洞，事實(shí)上多半在于銅與錫之間，而與IMC所交錯(cuò)并存。發(fā)生微洞處自然無法生成IM C，其結(jié)合強(qiáng)度也必定付之闕如。
左為介面微洞的切片側(cè)視圖，右為Dage品牌高解度X—ray所看到之俯視圖

       圖2、左為介面微洞的切片側(cè)視圖，右為Dage品牌高解度X—ray所看到之俯視圖。
       （二）、介面微洞的后患
       此種介面之微洞，與遠(yuǎn)離介面而發(fā)生于銲點(diǎn)中的空洞，其等成因并不完全相同。但對(duì)銲點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度而言，數(shù)量頗多的介面微洞反而更具殺傷力。此等區(qū)別可從高品質(zhì)的微切片畫面上得以辦識(shí)，或從高功率高解析度的X—r ay檢驗(yàn)設(shè)備中清楚加以判斷。一旦發(fā)生銲點(diǎn)強(qiáng)度問題，所有證據(jù)將無所遁形。
介面形成之空洞有大有小，超過40μm的介面大洞對(duì)銲點(diǎn)強(qiáng)度的破壞力極大

       圖3、介面形成之空洞有大有小，超過40μm的介面大洞對(duì)銲點(diǎn)強(qiáng)度的破壞力極大。
       （三）、介面微洞的主因
       PCB焊墊表面之實(shí)用可焊處理有：噴錫、浸銀、浸錫、OSP以及ENIG。前四者均以銅為IMC基地，而化鎳浸金則以化學(xué)鎳為焊接基地形成Ni3Sn4事實(shí)上對(duì)高密度SMT焊接而言，噴錫製程已經(jīng)尋E常不適用了。而其他四種表面處理層中均將會(huì)出現(xiàn)有機(jī)物的參與，高溫中裂解成氣而未能及時(shí)逸走時(shí)，當(dāng)然就只好留在原地形成微洞了。事實(shí)上工曲S n、I-A g、O S P等皮膜與ENIG的金層等，只扮演底銅與底鎳的保護(hù)皮膜使不致于氧化而拒焊，其本身并未參與焊接(I-S n除外)的反應(yīng)。故知其厚度愈薄者有機(jī)物將愈少，所發(fā)生介面微洞的機(jī)會(huì)就愈小了，不過皮膜太薄者又無法達(dá)到護(hù)焊的功用。
       造成介面微洞的緣由，除了表面處理層本身難辭其咎外，另外助焊劑配方，焊溫焊時(shí)(Profile)，墊面清潔、錫膏吸水、以及銲墊設(shè)計(jì)形式等，都將是介面微洞的肇因。目前為了降低組裝高度，節(jié)省成本，某些原先QF P(Quad  F1at Package)的伸腳Gu11 wing或勾腳了J-1 e a d等，部份產(chǎn)品將予以取消，而將元件腹底外圍直接設(shè)計(jì)上方墊，P C B板面也對(duì)應(yīng)加設(shè)承墊，直接用錫膏進(jìn)行面對(duì)面的貼焊，特稱之為Quad F1at NO-1ead(Q FN)。此種全新亮相Q FN銲點(diǎn)中原已發(fā)生頗多的空洞，無鉛焊接將更是加火上澆油品質(zhì)蕩然。且元件腹底方墊其切割側(cè)面的純錫鍍層，彼此比鄰的錫須生長又將是另一番心腹之痛。
左為BGA球腳銲點(diǎn)申的空洞；右為QFN全扁銲點(diǎn)中的空洞。但其中央承接封裝體之較大方墊者，系導(dǎo)熱膏接著之不均情形

       圖4、左為BGA球腳銲點(diǎn)申的空洞；右為QFN全扁銲點(diǎn)中的空洞。但其中央承接封裝體之較大方墊者，系導(dǎo)熱膏接著之不均情形。
       （四）、介面微洞的假說
       由于各式銲點(diǎn)空洞的成因太多(其中有鉛與無鉛混料者空洞更多)，要仔細(xì)分辨出介面微洞又不是很容易，麥特公司的DOnaldCu11en先生曾在2005年2月于ECWC的論文(S26—2)中，提出兩種主要假說：
       1．銅面遭到污染，如綠漆的微量殘?jiān)取?br style="box-sizing: inherit; max-width: 100%;"/>       2．銅面過度粗糙或其他污染，或水氣附著等。
       該文并深入探討而列出2 7種可能的原因，錯(cuò)綜複雜實(shí)在讓人眼花瞭亂不知所從。不過該論文中已對(duì)I-A g做了較清楚的說明，認(rèn)為皮膜中的有機(jī)物含量約為0.5％一0.2％by wt，主要來自槽液中的細(xì)晶劑，抗變色劑，以及所設(shè)定Pofi1e峰溫低了2 0℃而可能形成的冶焊(Cold Soldering)，此種冶焊也會(huì)帶來極多的介面微洞。當(dāng)然銀層太厚有機(jī)物太多還是首要原因。
介面空洞所造球腳銲點(diǎn)斷頭的微切片與X-ray透視兩圖之比較

       圖5、介面空洞所造球腳銲點(diǎn)斷頭的微切片與X-ray透視兩圖之比較，
       （五）、另一種Kirkendall  Voids
       銅基地接受高熱焊接的瞬間，當(dāng)其銅份對(duì)液錫的溶入 (Disso1ution)速率不均時(shí)，則在所長出的Cu6Sn5IMC與底銅之間，會(huì)形成另一種讓附近原子來不及移動(dòng)替補(bǔ)(Disp1acement)而形成的微洞，稱之為K洞。通常當(dāng)焊后的板子又不斷受到高溫衝擊時(shí)，此等K洞還會(huì)逐漸變多變大，也將帶來銲點(diǎn)強(qiáng)度不足的麻煩。目前有關(guān)此種K洞的研究尚不普及。
此為無鉛焊接又經(jīng)高溫老化后，從SEM晝面所見到的K洞，可清楚辨識(shí)是存在于底銅與長厚的IMC之間

       圖6、此為無鉛焊接又經(jīng)高溫老化后，從SEM晝面所見到的K洞，可清楚辨識(shí)是存在于底銅與長厚的IMC之間。
       關(guān)于介面微洞的研究還有很多，隨著全面無鉛的腳步愈來愈近，筆者只能根據(jù)已公開發(fā)表的最新論文與自身實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)，整理出一些脈絡(luò)以供參考，尚盼能減少若干災(zāi)情于事先，則于愿已足矣。

山東芯演欣電子科技發(fā)展有限公司   聯(lián)系電話：18865375835