无铅焊接的脆弱性研究（二）
最近，有关 Cu 焊盘上 Sn-Ag-Cu 焊点在高温老化过程中机械强度快速减弱的多项报告，在微电子封装领域引起了极大的轰动 [4]、[5]，这一后果似乎是由 Cu3Sn/Cu 界面的 Kirkendall 空洞生长而造成的 （图1），在标准老化条件 （20 至 40天100 ℃） 下也能观察到大范围的空洞，使空洞成为了一个明显的实际问题，至少对承受很高的工作温度和机械冲击或振动的产品来说是值得关注的。事实上，显而易见的温度依赖性或许使我们想到，即使在相当适宜的工作条件下，产品也有可能在几年之内发生故障。该现象已经获得其它研究证实 [5]、[6]，不过，幸好这种脆化问题是可以避免的。环球仪器公司进行的初步实验没有再出现上述的空洞现象 [7];而IBM [6] 所作的研究提出了焊接脆弱性与电镀批次的相关性 （图2）。这些调查结果可能暗示杂质的影响。在一些情况中已经证明污染大大增加 Kirkendall 空洞的形成，因为杂质在金属间相的溶解度较低，所以在变换过程之前被''清理''出来而骤然充当异源的空洞成核点 [8]。无论如何，不可排除的脆化因素还有亚微观孔隙或气泡，它们在回流过程中不知何故混入铜表面，继而成为空洞的藏匿之所。此外，IBM还公布了另一个金属间化合物界面发生脆变的故障现象，该现象似乎与 Kirkendall 空洞确实无关 [6]。在组装以后立即进行的焊球拉力测试显示，在Cu焊盘的金属间化合物范围内出现了界面缺陷，而且这一现象总是由于热老化而加剧。这究竟是否一个有实际意义的关注问题还有待于证实，因为与空洞现象不同的是，长时间的老化不一定令抗拉强度进一步降低。在这个现象中，同样发现电镀批次具有可变性。焊接铜的唯一可取的成熟的替代选择大概是镍，为了防止氧化，人们通常在镍上镀一层金。有些报告 [9] 指出，在化学镀 Ni （P） 膜与 Sn-Pb 焊料之间，长时间的反应也会在Ni 表面的附近形成 Kirkendall 空洞。但是与铜相比，这似乎是一个不太可能发生的问题。根据一些报告显示，当元器件上 Sn-Pb 焊点的对侧焊盘采用铜焊盘，而有现成的铜补充给焊料时，脆化过程变得更为复杂：三元合金 （Cu,Ni） 6Sn5层积聚在 Ni3Sn4 （在镍表面上形成的） 之上。在这种情况下，老化在Ni3Sn4/（Cu,Ni）6Sn5 界面形成空洞 [10]。 使用Sn-Ag-Cu焊料焊接镍预料会发生类似的问题，因为这种焊料合金中有现成的铜源。所谓的''黑盘''（black pad） 现象是一个获广泛认同与脆化有关的独特现象，特别是关系到化镍浸金 （ENIG）。事实上，''黑盘''现象可算得上一个无处不在的术语，它涉及的许多与发生在 Ni（P）/Ni3Sn4 界面上或附近的焊点断裂有关的现象，最主要的是指在浸金 过程中，由于过度腐蚀而使Ni（P） 表面缺乏可焊性，但是常常也包括不同的合金或合金化合物在界面附近产生的作用。''黑盘''通常指一种''时间零点''现象，反映在接点焊盘之上或附近出现明显的脆弱性，或仅仅降低机械耐疲劳强度。不管怎样，有害的''黑盘''效应也可能关联着另一种脆化机理观点：根据这种机理，看上去很完美的金属间化合物结构会随着时间的推移而退化。这第二个脆化机理好象涉及 Ni3Sn4 的增加，由此而引起P富集，在下面形成 Ni3P，并在二者之间生成一种三元相。不管是哪一种情况，如果从 Sn-Pb焊料过渡 Sn-Ag-Cu 焊料，这个问题似乎都会恶化 [11]、[12]。电解产生的镍层上通常电解了一层金，采用这个方法的问题是制造公差要求将镀金层的厚度控制在25 至 50微英寸 （0.63 至 1.3μ） 以上。在产品使用过程中，这可能会因最大负荷等因素而出现问题。广泛的研究 [13-19]表明，在回流过程中溶入于 Sn-Pb 焊料的金，竟会在以后的老化过程中逐渐返回镍表面，并导致该表面的Ni3Sn4金属间化合物上积聚一层 （Ni, Au） Sn4。如此产生的界面，其机械强度是不稳定的，而且随 （Ni, Au） Sn4 厚度的增加而继续减小。多项迹象表明，在Sn-Ag-Cu焊接所需要的较高回流温度下，镍溶解度的增加可能有助于稳定焊点中Ni-Au-Sn三元沉淀物的金，但是为了量化对不同参数的影响，也许需要进一步研究。Qualcomm 最近公布的跌落测试 （drop testing） 观察中，发现Ni/Au镀层上的Sn-Ag-Cu CSP焊点在''时间零点''断裂，此问题曾通过降低回流温度和缩短回流时间得以缓解或消除。这些报告的作者把脆性断裂归咎为Ni3Sn4与 （Cu, Ni）6Sn5敷层不匹配 [20]，但根据另一些试验显示，在 （Ni, Cu）3Sn4表面上涂镀一层厚度相同的 （Cu, Ni）6Sn5 通常看来是稳定的。尽管如此，这个现象似乎与已经非常确实的金相关问题不一様。总结在过渡至无铅焊接工艺时，电子工业看来面对着极大的焊点脆断风险，而且所有常用的焊盘表面镀膜均无一幸免。在 ENIG 焊盘上引起金属间化合物结构脆变的''黑盘''效应和老化过程，似乎对 Sn-Ag-Cu 焊接比 Sn-Pb 焊接更为关键。无铅焊接以避免或减少另一个与Ni/Au电镀敷层中Au厚度增大有关的脆化过程。然而，用Sn-Ag-Cu焊接镍焊盘经常导致Ni3Sn4 层上积聚 （Cu, Ni）6Sn5 。如此形成的一些结构在用 Sn-Ag-Cu 焊接合金进行装配之后会立即脆断，而且在某些情况下即使采用 Sn-Pb 焊料，（Cu, Ni）6Sn5 结构老化也会导致难以克服的空洞和多孔缺陷。大范围的Kirkendall空洞往往可以在正常老化过程之后弱化Cu焊盘上的Sn-Ag-Cu焊点，而且甚至在没有老化的条件下也发现了一种表面上独立的脆化机理，当然这种脆变继续随着老化而趋于恶化。 初步结果提示了脆化与电镀批次的相关性，但是预计材料 （如焊料、助焊剂、焊膏、焊盘敷层、电镀参数） 和工艺参数 （如回流曲线和环境、焊料与焊盘氧化和污染、焊盘结构、焊膏量） 等因素也很重要。总括来说，大多数脆化机理的可变性确实带来了希望，至少有一些脆化过程也许是可以避免或控制的。