焊点失效之铜扩散机理
空位对CuSn无铅焊点界面元素扩散的影响
空位对CuSn无铅焊点界面元素扩散的影响0 序言在Cu-Sn-Cu钎焊反应中铜迅速地向液态钎料中扩散溶解，Cu6Sn5金属间化合物会很快在焊盘与钎料的界面处出现. 在锡基钎料/金属间化合物/铜接头的服役过程中，Cu6Sn5/Cu界面会发生固态扩散反应，形成Cu3Sn层. 随着Cu3Sn层的形成和生长，在层内和Cu/Cu3Sn界面常出现大量亚微米级的空洞，被称为柯肯达尔空洞[1]. 这种空洞的存在会危及接头的可靠性，已引起了极大关注[2-3]. 在较低温度下(20～70 ℃)[4]，Sn/Cu扩散偶中铜是界面处的主导扩散元素，以间隙扩散和晶界扩散为主要扩散方式；而在较高温度下(＞170 ℃)[5-8]，锡取代铜成为界面的主导扩散元素，主要扩散方式是空位扩散或体扩散. 对于界面柯肯达尔空洞，其形成的过程伴随着空位的形成与扩散[9].空位在研究界面扩散和空洞形成过程中是一个不可忽略的因素. 当前，有关无铅焊点界面的结构以及元素扩散行为相关的研究还处于摸索积累阶段，在理论和技术上都还有待于进一步的深入. 分子动力学方法可以对大体系进行模拟，能够描述到系统中粒子的动态过程，而且可以得到热力学统计结果，目前已成为研究界面性质的重要研究方法.运用分子动力学方法模拟Cu/Cu3Sn界面上空位对扩散的影响，计算出空位形成能及其扩散势垒，并计算了含空位的Cu/Cu3Sn界面上元素的扩散激活能.1 计算原理1.1 势能模型原子间相互作用势是分子动力学模拟的基础，模拟结果的准确性主要取决于是否选取了能够准确描述分子微观结构的势能模型. MEAM 原子间作用势模型能够很好地描述金属原子间扩散的性质. 采用MEAM多体势描述基体原子之间以及钎料与基体原子之间的作用，其势函数形式为[10]式中：为距离原子i为的第j个原子在i处产生的电子密度；为第i个原子的嵌入能；原子i和原子j之间的两体作用势；为原子i在相关结构中结合能；为结构参数.Cheng等人[11]得到的MEAM势函数较好地描述了Cu，Sn及Cu-Sn原子间的相互作用，有关计算参考了这些参数，如表1和表2所示.感官评价表明：将小麦酱油的pH值稳定在6.5，导致酱油的鲜味和苦味更强，不调节pH值的酱油则在甜味、酸味上更强。
【机理】锂电池失效模式研究之“析铜”
【机理】锂电池失效模式研究之“析铜”导读随着锂离子动力电池的广泛应用，第一批动力电池所装载的纯电动汽车也跑过了七八个年头，在此期间，会发生各种各样的失效的状况，本文就从失效模式之一的析铜开始讲起，通过实验验证得出结论，最后给出一些建议，预防此类失效情况的发生。
随着锂离子动力电池的广泛应用，第一批动力电池所装载的纯电动汽车也跑过了七八个年头，在此期间，会发生各种各样的失效的状况，本文就从失效模式之一的析铜开始讲起，通过实验验证得出结论，最后给出一些建议，预防此类失效情况的发生。
一般而言，锂离子电池的析铜反应发生在负极，可能性原因有过放、电池在制作过程中反充电、局部存在短路点时电池进行的大电流放电都会导致析铜反应的发生。
一般析铜反应有四个过程，首先是铜箔的氧化的溶解，然后是铜在负极表面的析出，然后是铜的在溶解，穿过隔膜，在正极析出。
从上图中可以看出，铜已经析出在正极，而负极的铜箔也已经氧化，说明析铜发生的很严重，此块电池的电压已经小于1V，完全失效。
对于失效的发生，初步查明可能是由于SOC不一致导致的个别电池大电流过放导致，下面设计实验进行验证，实验步骤如下：1. 取3只锂离子动力电池，SOC设置为40%、60%、80%，将三只电池串联起来进行大电流放电；2. 每放一次电静置一段时间，测量电池的电压内阻；3. 继续进行前面两步的操作；经过几次大电流循环后，低SOC的动力电池出现了电压明显下降的问题，对此出现异常的电池进行解剖分析。
解剖发现出现了局部短路点，对短路点的隔膜进行EDS分析后发现存在铜元素，说明析铜反应已经发生，说明在实际使用过程中，由于SOC状态不一致在大电流放电时会导致的析铜反应，而在实际过程中使用时情况比较复杂，所以需要提高锂离子动力电池的一致性，防止此类失效模式的发生。
参考文献：1.李杨等.磷酸铁锂动力电池动态分选的研究2.邹玉峰等，HEV用锂离子动力电池的一种失效模式的分析声明：本文已获公众号锂电联盟会长授权，如转载请联系原公众号。
pcb中金铜扩散原因
pcb中金铜扩散原因金铜扩散是指在印制电路板（PCB）制造过程中，金属铜在印刷、插针或焊接等工艺步骤中扩散到其它区域的现象。
金铜扩散主要是由以下几个原因引起的。
第一，印刷过程中的热扩散。
在PCB制造过程中，印刷工艺被广泛应用于安装电子组件。
印刷过程中，打印的金属墨水中的颗粒会受到高温的影响，而导致铜金属的热扩散现象。
这种热扩散会导致金属铜在印刷线路的附近区域扩散，造成短路或其他电气故障。
第二，插针过程中的机械扩散。
在PCB安装电子元件时，插针连接是必不可少的工艺步骤。
插针过程中，金属针脚和铜焊盘之间的接触会引起机械扩散。
特别是当插针用力过大或频繁插入和拔出时，金属颗粒会逐渐从针脚扩散到铜焊盘上，造成信号干扰或电路故障。
第三，焊接过程中的熔化扩散。
在PCB制造的最后一步，焊接工艺被用来连接电子元件和PCB主板。
在焊接过程中，高温熔化的焊锡会与铜焊盘接触，形成金属间化合物。
然而，由于金属间化合物的结构不稳定，它们倾向于扩散到相邻的铜线路上。
这种熔化扩散可能导致焊接点的破裂、裂纹或其他焊接缺陷，影响PCB的可靠性和性能。
为了减少金铜扩散的发生，我们可以采取一些措施：首先，选择合适的金属和合金材料。
在PCB制造过程中，选择与金属铜相容性较好的金属材料，可以减少金铜扩散的风险。
例如，选择合适的印刷墨水、插针材料和焊锡合金。
其次，控制工艺参数。
通过控制印刷、插针和焊接的工艺参数，如温度、时间和力度等，可以降低金铜扩散的可能性。
确保这些过程在适宜的工艺条件下进行，防止过度热扩散或机械扩散的发生。
最后，定期检查和测试。
在PCB制造完成后，进行定期的检查和测试是非常重要的。
通过检查和测试，可以及时发现和修复金铜扩散引起的问题，保证PCB的质量和性能。
总之，金铜扩散是PCB制造过程中一个比较常见的问题。
了解金铜扩散的原因，并采取相应的预防措施，可以有效降低金铜扩散的风险，提高PCB的可靠性和性能。
如何解决焊点的后期失效
如何解决焊点的后期失效电路板焊接技术，在电子工业中已应用多年，但是对焊点的后期失效仍然是一个令人头疼的问题，它极大地影响着电子产品的质量和信誉。
所谓“焊点的后期失效”，是指表面上看上去焊点质量尚可，不存在“搭焊”、“半点焊”、“拉尖”、“露铜”等焊接疵点，在车间生产时，装成的整机并无毛病，但到用户使用一段时间后，由于焊接不良，导电性能差而产生的故障却时有发生，是造成早期返修率高的原因之一，这就是“虚焊”。
本人认为其根本原因有如下几个方面：1.印制板孔径与引线线径配合不当手插板孔径与引线线径的差值，应在0.2—0.3mm。
机插板孔径与引线线径的差值，应在0.4—055mm。
如差值过小，则影响插件，如差值过大，就有一定几率的“虚焊”风险，其后期焊点损坏率如图1示：如焊盘偏小，则锡量不足，偏大，则焊点扁平，都会造成焊接面小，导电性能差，只有适当，才会得到质量好的焊点，究其原因，是焊点形成的过程中，引线及焊盘与焊料之间的“润湿力”“平衡”的结果。
而对于需要通过大电流的焊点，焊盘需大些，经过波峰焊后，还需用锡丝加焊，甚至加铆钉再加焊，才能得到性能可靠的焊点。
3 元件引线、印制板焊盘可焊性不佳元件引线的可焊性，用GB 2433.32-85《润湿力称量法可焊性试验方法》所规定的方法测量，其零交时间应不大于1秒，润湿力的绝对值应不小于理论调湿力的35％。
但是，元器件引线的可焊性，并非都是一致的，参差不齐是正常现象。
如CP线不如镀锡铜线，镀银线不如镀锡线，线径大的不如线径小的，接插件不如集成块，储存期长的不如储存期短的等等，管理中稍有疏忽，便会造成危害。
对于印制板焊盘的可焊性，必须符合GB l0244-88《电视广播接收机用印制板规范》1.6条规定的技术条件，即“当……浸焊后，焊料应润湿导体，即焊料涂层应平滑、光亮，针孔、不润湿或半润湿等缺陷的面积不超过覆盖总面积的5％，并且不集中在一个区域内(或一个焊盘上)”；从另一个角度看，印制板焊盘的可焊性质量水平，也并非都是一致的。
锡槽中铜含量对焊接质量影响初探
锡槽中铜含量对焊接质量影响初探摘要本文通过对波峰焊和热风整平（HASL）工艺锡槽中铜含量升高所导致的产品最终焊接不良问题原因的探讨，分析了铜含量升高所带来的危害及其常用的降铜处理方法。
中图分类号：TG151 文献标识码：AInfluence of Copper Content in Tin Bath to Welding QualityLI Xiancheng(The Three Ggorges Hydroelectric School, Chongqing 404160)AbstractThis article through discuss the reason for the problem that the product eventually welding bad that caused by copper content rise wave soldering and hot air solder leveling (HASL), then analyses harm of copper content rising brings and common used method to deal with it.Key wordshot air solder level tin bath; copper content; Cu6Sn5; reduce copper content在我国电子产品生产企业中，目前因焊点质量不良导致的不良产品数量约占企业不良产品总量的60%以上，在有的企业甚至高达80%。
影响焊点质量的因素很多，如焊接合金质量、生产工艺条件、PCB层压材料质量、元器件、机械负荷条件等都能导致不良焊点的产生，针对这些因素对焊点质量的影响已经有了较为成熟的分析和处理方法。
但在电子产品整机生产企业与其PCB供应商之间，具有相似工艺处理环节的波峰焊和热风整平（HASL）工艺锡槽中铜含量升高所导致的产品焊接不良问题较少有人进行进一步的探讨，锡炉内的铜皆因助焊剂、锡等的浸蚀，将PCB线路上的铜日积月累地带进锡炉，成为焊锡的污染物。
PCB焊点焊接缺陷原因分析
PCB焊点焊接缺陷原因分析陈强;王一雄【摘要】PCB焊点焊接缺陷产生的原因可能很多，如果你从扩散焊接的特点考虑就会变得明了起来！熔化的焊料原子沿着被焊接金属的结晶晶界的扩散，扩散所需要的激活能也可称为“表面自由能”比体扩散小。
一般锡料的活性能约为380达因/厘米，鲜活的铜面在助焊剂的辅助下约为1265达因/厘米，所以焊接可以良好进行。
%There may be a lot causes of PCB solder welding defects. However if you consider from the characteristics of diffusion welding, it will become clear! The crystallization of molten solder atoms spreads along the weld metal grain boundary diffusion. The spreading needed to activate can also be referred to as the Surface Free Energy than the body of the diffusion. The activity of general tin material can be approximately 380 dyne/cm, and lively copper surface under the auxiliary of lfux is about 1265 dyne/cm, so welding can be performed well.【期刊名称】《印制电路信息》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】4页(P67-70)【关键词】合金共化物;表面自由能;镍层腐蚀;共晶锡;硫化银膜【作者】陈强;王一雄【作者单位】深圳市迅捷兴电路技术有限公司，广东深圳 518054;深圳市迅捷兴电路技术有限公司，广东深圳 518054【正文语种】中文【中图分类】TN41焊接是指被焊接的两个物件，通过加热或加压使两个相同材质的物体或不同材质的物体达到原子间的结合，而形成永久性连接的工艺过程称之为焊接。
波峰焊侵铜失效模式-概述说明以及解释
波峰焊侵铜失效模式-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述：波峰焊是一种常用的表面贴装技术，广泛应用于电子行业的生产制造中。
而在波峰焊的过程中，铜材料往往易受侵蚀而出现失效现象。
本文旨在分析波峰焊导致铜材料失效的模式，并提出相应的对策建议。
通过对波峰焊工艺、铜材料特性及侵铜失效模式的分析，可以更深入地了解波峰焊侵铜失效的原因，从而为解决和预防这一问题提供参考依据。
1.2 文章结构文章结构部分的内容：本文共分为引言、正文和结论三大部分。
在引言部分，我们将概述本文的主题，并介绍文章的结构和目的。
通过引言部分，读者可以对本文内容有一个整体的了解，为后续的正文部分做好铺垫。
正文部分主要包括波峰焊工艺概述、铜材料特性分析和波峰焊侵铜失效模式分析三个小节。
在波峰焊工艺概述中，我们将介绍波峰焊的基本工艺流程和特点；在铜材料特性分析中，我们将对铜材料的物理、化学特性做详细分析；在波峰焊侵铜失效模式分析中，我们将深入探讨波峰焊过程中铜材料可能发生的失效模式及其原因。
结论部分将对波峰焊侵铜失效模式进行总结，并针对影响因素进行分析。
最后，我们将提出对策建议，以期对读者在相关领域的研究和工作有所帮助。
1.3 目的目的部分的内容可以包括介绍撰写本文的目的和意义。
例如：本文旨在研究分析波峰焊对铜材料的侵铜失效模式，探讨其影响因素以及对策建议，旨在帮助工程师和研究人员更好地理解波峰焊工艺对铜材料的影响，为相关行业提供问题解决方案，并提高产品质量和可靠性。
通过本文的研究分析，可以为相关领域的工程实践和学术研究提供一定的参考和借鉴价值，促进波峰焊工艺在电子制造领域的应用和发展。
2.正文2.1 波峰焊工艺概述波峰焊是一种常用的焊接工艺，特别适用于大批量生产和自动化生产线。
该工艺通过在焊接区域加热焊料至液态，然后将被焊接的零件浸入液态焊料中，实现焊接的连接。
波峰焊工艺通常用于对电子零件和连接器进行焊接，能够提供可靠的焊接质量。
波峰焊工艺的主要步骤包括预处理、涂覆焊剂、加热至液态、焊接和冷却。
扩散焊原理问题回答
扩散焊原理
扩散焊是一种常用的金属连接方法，它利用高温下金属原子间的扩散作用，将两个金属材料永久性地连接在一起。
其原理可以概括为以下几个步骤：
1. 清洁表面：在进行扩散焊接之前，需要对要连接的金属材料表面进行彻底清洁。
这是因为任何污垢、氧化物或其他杂质都会影响焊接的强度和质量。
2. 加热：将要焊接的金属材料加热到足够高的温度。
这通常需要使用火炬或其他加热设备，并且需要根据不同类型的金属材料和要求来确定合适的加热温度。
3. 扩散：当金属材料被加热到足够高温度时，其原子开始扩散。
这意味着它们会从一个位置移动到另一个位置，并且会与相邻原子相互作用。
4. 形成合金：当两个金属材料被加热并且原子开始扩散时，它们最终会形成一个混合物或合金。
这是因为它们中的原子会相互作用，并且在高温下会形成一种新的材料。
5. 冷却：一旦合金形成，需要将其冷却到室温。
这通常需要使用冷却液或其他方法来控制冷却速度，以确保焊接的质量和强度。
总体来说，扩散焊是一种非常有效的金属连接方法。
它可以产生非常强大和持久的连接，并且可以用于许多不同类型的金属材料。
但是，它需要高温和精确控制，因此需要经验丰富的专业人士来操作。
扩散焊
异种金属特种焊接方法之扩散焊
（2）工艺参数对焊接质量的影响
• 1）焊接温度 • 2）焊接压力 • 3）扩散焊接时间 • 4）环境气氛 • 5）表面状态
异种金属特种焊接方法之扩散焊
三、扩散焊设备的分类
• 1．按照真空度分类 • 2．按照热源类型和加热方式分类 • 3．其他分类方法
异种金属特种焊接方法之扩散焊
（二）镍合金的扩散焊
• 镍合金扩散焊接的参数：加热温度1093～1204℃，保温时间10～ 120min，压力2.5～15MPa，真空度1.33×10-2Pa以上。
异种金属特种焊接方法之扩散焊
（三）高温合金的焊接
• 各类高温合金如机械化型高温合金、含高A1、Ti的铸造高温合金等 几乎都可以采用固相扩散焊接。
• 焊接区域经蠕变、扩散、再结晶等过程而最终形成固态冶金结 合，可以形成固溶体及共晶体，有时也可能生成金属间化合物 ，从而形成可靠的扩散焊。
异种金属特种焊接方法之扩散焊
2.扩散焊的特点及分类
扩散焊的优点：
• 扩散焊时因基体不过热、不熔化，可以在不降低焊件性能的情况下 焊接几乎所有的金属或非金属。
• 扩散焊接头质量好，其显微组织和性能与母材接近或相同，在焊缝 中不存在熔化焊缺陷，也不存在过热组织和热影响区。
异种金属特种焊接方法之扩散焊
（一）同种材料的扩散焊
• 1.钛合金的扩散焊 • 2.镍合金的扩散焊 • 3.高温合金的焊接
异种金属特种焊接方法之扩散焊
（一）钛合金的扩散焊
• 钛合金采用扩散焊，接头性能优于常规熔焊。 • 钛合金在扩散焊时无需对焊件表面进行特殊的准备和控制。 • 钛合金能吸收大量的O2、H2和N2等气体，故不宜在H2和N2气氛
功率模块失效机理分析
功率模块失效机理分析韩彬;唐金秀;郭晓林【摘要】功率模块技术能够有效集成功率半导体器件,具有很多优点.简要介绍了功率模块的结构组成和工艺特点,对功率模块的失效进行了描述,并通过理论分析和试验验证,认为失效的主要原因是锡膏涂覆量的偏少和一次高温处理后焊盘可焊性的下降.基于功率模块的失效机理,通过采取增加锡膏涂覆量和对一次高温处理后焊盘进行搪锡的措施,有效保证了功率模块的焊接质量.%Power module technology can integrate power semiconductor devices effectively with many advantages.This paper introduces the structure composition and process characteristics of power module briefly and describes the failure.With theoretical analysis and test verification,the main cause of failure is considered as the less amount of solder coating and the decline of pad solderability after first high temperature treatment.Based on the failure mechanism of power module,with the measures of increasing solder coating amount and tinning on the pad after first high temperature treatment,the solder quality of power module is guaranteed effectively.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2018(042)005【总页数】3页(P707-709)【关键词】功率模块;锡膏涂覆量;焊盘可焊性【作者】韩彬;唐金秀;郭晓林【作者单位】中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300384;中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300384;中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300384【正文语种】中文【中图分类】TM761电气设备内部使用了大量的功率半导体器件，功率模块技术能够有效集成功率半导体器件，降低电气设备的质量、减小产品体积、解决散热问题。
焊点开裂不良失效分析–电镀在线
焊点开裂不良失效分析–电镀在线
摘要：某化镍浸金的FPC软板，在组装完成后，发现部分焊点存在开裂失效。
通过外观检查，表面分析及剖面分析等分析手段，发现焊盘中镍层存在开裂，在焊接过程中，Cu过度的扩散到金属间化合物中去，严重降低金属间化合物与镀层之间的强度，导致焊点发生开裂失效。
关键词：焊点开裂；镍层断裂；铜扩散
1 案例背景
送检样品为某FPC板，该FPC板经过SMT后经辊筒测试，发现部分焊点存在开裂失效。
该PCB板焊盘表面处理工艺为化镍浸金。
2 分析方法简述
如图1和2所示，失效焊点断裂界面呈明显的脆性断口，失效焊盘镍层存在明显的开裂现象。
通过切片分析，失效焊点主要开裂在IMC层与Ni层之间的界面处，失效焊点IMC层中Cu含量明显高于Ni含量。
3 分析与讨论 该焊点失效界面为典型的铜扩散现象，正常的ENIG 焊盘与焊料之间形成Ni3Sn4的IMC 层，Ni 层作为阻挡层，阻挡Cu 向焊料扩散，亦或形成少量的（Cu ，Ni ）6Sn5的三元合金，当Ni 层发生开裂时，
Cu会沿裂缝向焊料急剧扩散，当Cu大量异常的向锡镍合金扩散时，必然改变IMC的结构和物理性能，其机械性能弱化，脆性增加而与Ni 层的结合力减弱，在受到外力作用下，易发生开裂失效现象。
SMT的高温和长时间回流焊及焊盘的Ni层开裂均有助于Cu扩散现象的发生。
本案焊点失效的主要原因为在SMT前，焊盘的Ni镀层存在开裂，致使在焊接过程中Cu向IMC层大量扩散，改变了IMC层的结构和物料特性，致使界面机械性能严重下降。
内容来源：美信检测作者：邓胜良。
QFN器件焊接质量及可靠性改善方法的研究
QFN 器件焊接质量及可靠性改善方法的研究发布时间：2022-10-23T08:35:57.478Z 来源：《科学与技术》2022年6月12期作者：王世芳申涛贾彪[导读] QFN器件在使用期间或者进行组装以后，王世芳申涛贾彪四川九洲电器集团有限责任公司 621000【摘要】QFN器件在使用期间或者进行组装以后，其焊点内部会发生应力释放或者蠕变，导致晶力变得粗化从而出现裂纹，以此在一定程度上导致了焊点的可靠性进一步降低。
基于此，为了进一步探究QFN器件的焊接质量，笔者通过查询相关资料、文献综述法展开研究，首先阐述了QFN焊点的改善思路，然后重点对其可靠性机理进行分析，希望能为有关人员提供参考。
【关键词】QFN器件；焊接质量；改善方法；可靠性研究；焊点高度；散热焊盘前言QFN器件的自感系数和引线电阻都相对较低，该器件底部设有较大的散热焊盘，芯片的散热性能良好，所以QFN器件适合电源类或者大功率的控制芯片。
现阶段伴随着社会的发展以及对QFN器件机理的可靠性深入研究，该器件已经被广泛应用于医疗和工业类的电子领域中。
基于此，本文立足于焊点高度和散热盘空洞率出发，探究散热焊盘的绿油分割设计方法，旨在对QFN器件的整体焊接可靠性和质量进行改善。
1.QFN焊点质量的改善分析当前，行业内对于QFN器件的PCB焊盘设计进行了深入研究，关键集中在散热焊盘以及引脚锡量兼容、焊盘中间过孔设计以及DFM等方面。
按照行业规则，本文选择将引脚焊盘做0.4mm的外延来设计PCB，（行业一般情况下为0.2-0.6mm之间）；将散热过孔进行内延0.04mm，现阶段常用以下四种方法：双面塞孔、顶部塞孔以及底部塞孔和通孔设计。
本文主要借助双面塞孔中的绿油工艺进行改善，其中，采用0.4mm的过孔直径、2.0mm的过孔间距，使得助焊剂能够在回流焊时进行挥发从而产生一定的气体，当气体逃逸不彻底或者助焊剂不完全挥发的时候可以在焊料作用下形成气泡。
封装可靠性及失效分析(共66张PPT)
封装可靠性及失效分析
1.1芯片键合
失效机理
扩散 化学失效 热失配和热疲劳
影响芯片键合热疲劳寿命的因素
• 焊点形状对疲劳寿命的影响
• 焊点界面的金属间化合物
• 老化时间对接头强度的影响 ACF键合的剥离强度失效
铜引线上镀锡层的Whisker生长机理 铜引线上镀锡层的Whisker生长机理 焊点界面的金属间化合物 桥连过程的结果-能量变化 由热失配导致的倒装失效 桥连过程的结果-能量变化 由热失配导致的倒装失效 由热失配导致的倒装失效 老化时间对接头强度的影响 热膨胀系数不匹配导致的Whisker 焊点形状对疲劳寿命的影响 钎料合金的力学性能对寿命的影响 扩散引起的失效-电位移 老化时间对接头强度的影响 焊点形状对疲劳寿命的影响 桥连过程的结果-能量变化 钎料合金的力学性能对寿命的影响 焊点形状对疲劳寿命的影响 钎料合金的力学性能对寿命的影响
• 电位移引起的失效评估-防治措施
• 电位移导致的晶须短路
铜引线上镀锡层的Whisker生长机理
引线桥连缺陷
• 桥连发生的过程
• 桥连发生的过程解析
• 桥连过程的结果-能量变化
• 焊盘宽度的设计准则
• 墓碑缺陷
• 热膨胀系数不匹配导致的Whisker
钎料合金的力学性能对寿命的影响 老化时间对接头强度的影响 封装可靠性及失效分析 钎料合金的力学性能对寿命的影响 铜引线上镀锡层的Whisker生长机理 由热失配导致的倒装失效 影响芯片键合热疲劳寿命的因素 老化时间对接头强度的影响 1芯片键合 1芯片键合 ACF键合的剥离强度失效 焊点界面的金属间化合物 1芯片键合 桥连过程的结果-能量变化 桥连过程的结果-能量变化 ACF键合的剥离强度失效 疲劳寿命与应力和应变的关系 焊点形状对疲劳寿命的影响 疲劳寿命与应力和应变的关系 扩散引起的失效-电位移
Sn_Zn系无铅焊料合金的可靠性研究进展(1)
另外, 回流焊工艺还影响 IMCs 的形貌。研究表 明[ 10] , 随着回流焊温度的升高, Sn 9Zn 和 Cu 基板反
应生成的板状富 Zn 相增多, Cu Zn 层增厚, 而 Sn Pb
及 Sn A g Cu 和 Cu 基材主要生成 Cu6 Sn5 IMC 层。随
着回流焊时间的增加, Sn 9Zn, Sn Ag Cu, Sn P b IMCs
2 Sn Zn 系无铅焊料的主要失效模式
无铅焊点的可靠度目前尚无法与 SnPb 相比, 特别是在机械冲击或时效过程中, 非常容易引起焊 点的提早破坏[ 2] , 脆化的机理会因为焊接表面镀层 的不同而有所差异, 但不论是何种表面处理, 似乎都 不能避免焊点脆化的发生, 因此对于工作环境温度 较高, 或是经常受机械冲击的无铅产品而言, 测评焊 点的可靠度是不容忽视的重要环节[ 3] 。
增加不明显; 而 Sn 8Zn 3Bi/ Cu, 由于 Bi 抑制了富 Zn
相的形成, 加速了 Zn 向 Cu 表面的扩散, 所以形成更
多的 Cu Zn IM C, 厚度也明显增加。 近来有许多报告指出, SnAgCu 无铅焊料与 Cu
基板的接点在时效时, 会发生焊点强度急速弱化现 象[ 3] , Chiu 等人[ 11] 已经发现在时效过程中, 克肯多微 孔( Kirkendall V oid) 会在 Cu6Sn5/ Cu 界面上生成, 并 影响焊点的强度, 如下图 3 所示。SnZn 系焊料虽然 在反应初期与 Cu 主要形成 CuZn IMCs, 但是随着时 效时间的增加, 界面会形成 Cu6Sn5 化合物, 并且由于 Zn 扩散到铜基体的速率高于 Sn 扩散到界面的速率, 因此在 IMCs 形成过程中, 界面上就会开始有微孔出 现。
失效分析典型案例--焊点质量
小结
引起元件脱落的可能原因 1、焊盘被污染 2、金层质量（污染、太厚/太薄及晶粒粗大） 3、镍层质量（镍腐蚀、P含量：7~11%） 4、IMC太厚/太薄（1~3μm） 5、富P层太厚
案例3.插件孔焊接后吹孔失效分析
NG样品和光板插件孔均发现明显孔破现象，此类现象的存在，在生产及 储存过程中容易储存湿气，在后期焊接中，孔破处存储的湿气在高温下 易膨胀而产生一定气压，往外将孔中灌入的焊锡吹出，形成“吹孔”； 光板孔壁还发现部分铜瘤位置存在铜层褶皱现象，其间隙易存储湿气， 且会降低铜层的连续性和厚度均匀性，大大降低铜层的抗拉伸性能，在 后续焊接高温下，由于板材Z轴方向的膨胀，这些铜层褶皱位置很容易 出现开裂形成孔破，进而诱发“吹孔”现象的产生。
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小结
引起焊接不良的可能原因 1、焊盘被污染 2、焊盘氧化严重 3、锡层太薄
案例2.元件脱落失效分析
通过表面形貌观察，焊盘发现严重镍腐蚀，进一步通过切片观察发 现存在较多贯穿镍层镍腐蚀和IMC不连续的现象。
通过表面形貌观察光板金面良好，剥金后发现 镍面存在严重镍腐蚀，大量存在细密镍腐蚀。 从沉金后的外观仍然给人良好的假象。当这种 焊盘进行焊接时，作为可焊性保护层的金迅速 溶解到焊料中去，而被腐蚀氧化了的镍则不能 与熔融焊料形成良好的IMC层，导致可焊性及焊 点可靠性严重下降。
PCB波峰焊接时孔铜溶蚀失效分析
波峰焊接时孔铜溶蚀的失效分析1.前言:插件孔是实现PCB不同层线路互连的主要桥梁，因而其孔内铜层的完整性成为PCB 备受关注的热点之一。
一直以来，孔无铜的失效案例屡见不鲜，严重影响PCB的性能和可靠性。
在焊接过程出现异常时，孔铜被锡溶蚀（浸析现象）是导致孔无铜的常见失效原因之一。
2.波峰焊接介绍：波峰焊是指将熔化的软钎焊料，经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰，亦可通过向焊料池注入氮气来形成，使预先装有元器件的印制板通过焊料波峰，实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。
波峰焊的主要工艺流程：将元件插入相应的元件孔中→预涂助焊剂→预烘（温度90-100℃，长度1~1.2m）→波峰焊（220-240℃）→切除多余插件脚→检查。
图1 波峰焊示意图3.失效案例：3.1某PCB 板在完成波峰焊后外观检查发现SS面（即波峰焊接起始面）整排1.5mm 插件孔均出现缺失的现象，其余位置外观上锡良好，未发现孔环缺失现象，不良率为0.67%，其表面处理为有铅喷锡（HASL ）。
案例：不良板孔环缺失位置确认如图2所示：通过立体显微镜观察PCB 板不良位置的孔环情况，发现不良孔孔环位置无完整的铜层，部分位置已裸露出基材。
通过查找相关生产信息可知，该PCB 板的生产流程包括化学沉铜、负片电镀（最小孔壁铜厚要求为20μm ）、磨板、酸性蚀刻、喷锡等。
根据该板的生产流程可知，导致孔环缺失的可能原因主要有：3.2失效模式分析：A.酸性蚀刻的药水对铜的咬蚀;B.喷锡对铜的溶蚀;C.波峰焊接时锡对铜的溶蚀;现对不良板的孔环缺失位置和板上其它未进行波峰焊接的PTH 孔进行垂直切片分析对比，如图3所示：从图3可以看出，对于表面处理为有铅喷锡的PCB 板，未进行波峰焊接的PTH 孔的孔铜仅被喷锡过程咬掉4.4μm 的厚度。
而波峰焊后的PTH 孔在波峰焊接起始面有孔环缺失的不良现象（如孔环缺失位置-2所示），焊接终止面孔环的孔铜完整，因而可以排除不良孔的孔铜缺失是由有铅喷锡对铜的溶蚀导致的。
SMT后元件脱落问题解析
一、线路板焊盘结构介绍因为铜皮在空气中很容易氧化，铜的氧化层对焊接有很大的危害，很容易形成假焊、虚焊、严重者元件和焊盘与元器件无法焊接，正因为如此，会在焊盘表面涂（镀）覆一层物质，确保焊盘铜皮不被氧化。
一般线路焊盘表面处理工艺有：热风平整（喷锡）有机涂覆（OSP）化学镀镍/浸金（ENIG）浸银浸锡各工艺的焊盘层别结构基本一样，只是其中的所含元素不同。
这里我们重点介绍化学镀镍/浸金（ENIG）表面处理工艺的元素分布结构。
金（AU）镍（Ni）-磷（P）铜（CU）化Ni沉Au层作无铅焊接时，金层在充足的热量下，会迅速溶入焊锡的主体中，形成四处分散的AuSn4的介面金属间化合物。
金溶入的速度比镍要快几万倍（溶速为117微英寸/秒）。
而只有镍和锡在较慢的速度下形成的共晶化合物Ni3Sn4而焊牢。
所以说，沉Ni/Au层在焊接时形成焊接牢固的是Ni3Sn4这一层IMC（介面金属间化合物）。
化Ni沉Au焊接中IMC的厚度一般在1-3微米。
过厚，过薄的IMC层都会影响到焊接强度。
焊接时，焊接的实质是在镍的表面进行的；金层是为了保护新鲜的镍表面不被氧化，金层不应太厚，若太厚会导致金脆及其它问题的产生；在焊接的温度下，很薄的金层会迅速融入焊料中；焊接时，在镍表面首先形成Ni3Sn4的IMC结构，是一层平整针状的表面，这层化合物能够降低焊料与Ni-P层之间的反应，成为很好的阻挡层。
二、元件与焊盘焊接原理IMC的介绍锡焊焊机理当焊料被加热到熔点以上，焊接金属表面在助焊剂的活化作用下，对金属表面的氧化层和污染物起到清洗作用，同时金属表面获得足够的激活能。
熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润、发生扩散、溶解、冶金结合，在焊料和被焊接金属表面直接生成金属间结合层（IMC），冷却后使焊料凝固，形成焊点。
焊点的抗拉强度与金属间结合层的结构和厚度有关IMC层介绍IMC层是指焊锡与被焊底金属之间，在热量足够的条件下，锡原子和被焊金属原子(如铜、镍) 相互结合、渗入、迁移及扩散等动作，会很快在两者之间形成一层类似“锡合金”的化合物，称为金属间化合物(intermetallic compound，IMC) 。
铜和钼的直接扩散焊工艺
铜和钼的直接扩散焊工艺铜和钼是常用的耐热材料，它们在工业生产过程中常常需要进行连接。
传统的焊接工艺难以满足这种连接需求，因为铜和钼的熔点差别较大，其熔点分别为1085℃和2610℃，焊接时需要极高的温度和压力，而且容易出现裂纹等缺陷。
针对这一问题，发展出了直接扩散焊技术，该技术基于材料本身的晶体结构和化学成分进行精准的焊接，不需要额外的填充金属或者药芯，同时焊接过程不需要高温和高压，因此在连接铜和钼等耐热材料时，这种技术已经得到了广泛的应用。
直接扩散焊技术的基本原理是利用两种材料之间的固态扩散来实现材料的接合。
在此过程中，材料之间原子的扩散是非常关键的。
针对铜和钼这两种材料的焊接过程，需要考虑到它们之间的化学反应及相互扩散的方式。
铜和钼在一定程度上可以相互溶解，但是它们的晶体结构和熔点不同，需要利用一些特殊的处理手段来促进其相互扩散的速度。
具体而言，扩散焊工艺一般分为三个步骤。
第一步是准备，在这一步中需要将要焊接的铜和钼表面进行清洗，以去除表面的氧化物和杂质，并且需要调整其晶体结构以便于扩散。
第二步是加热，在这一步中需要将铜和钼材料加热到相应的温度，以便原子扩散。
加热的温度一般为铜和钼的熔点的1/3左右，这样可以保证材料不会熔化，同时又可以促进原子的扩散。
第三步是保温，焊接完成后需要将材料冷却至室温，并保持一段时间以允许物质扩散完全进行。
直接扩散焊技术的优点主要在于焊接过程简单，不需要额外的填充金属或药芯，可以实现材料的本身完全接触。
同时，扩散焊的强度和韧度都非常高，可以更好地适应高温和高压的环境。
此外，扩散焊还可以实现微区焊接，可以精确控制焊点的形状和大小，更加适合于制造微型器件。
总之，直接扩散焊技术已经成为了连接耐热材料的一种常用技术，其原理简单，工艺流程清晰，能够有效地提高焊接质量。
尤其是对于连接铜和钼这样材料熔点差别较大的情况，扩散焊技术可以实现材料的高效连接，同时也更加符合环保要求，因此具有非常广阔的应用前景。
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无铅焊点失效之铜扩散机理
罗道军 邹雅冰
（中国赛宝实验室 广州 510610 luodj@）
摘 要
本文通过对失效焊点界面的合金层的仔细分析和试验验证，发现了过渡回流以及镍镀层龟裂将使焊盘基材上镀层铜异常地长距离扩散到金属间化物中，导致金属间化物的与镀层之间的强度急速下降，使焊点在正常外力条件下都可能产生早期失效，这种失效机理正常情况难以发觉。
本文一并给出会控制这种早期失效的的相应对策。
关键词：焊点失效 铜扩散 失效机理
前 言
随着全新的无铅制造工艺的导入，以及电子产品的小型化发展，导致大量无铅电子产品的质量与可靠性问题产生，其中很大部分是由于无铅焊接工艺或材料造成的不可靠焊点引起的。
尤其当使用无铅的BGA器件以及高熔点的无铅焊料，且在小型电子产品如MP3与移动电话的主板的中通常必须使用ENIG（化学镍金可焊性涂层）的线路板进行组装时，技术难度明显增加，除了容易出现润湿不良、空洞集中、金属化不理想等典型缺陷外，还容易出现这样一种不容易诊断或发现的可靠性问题：外观润湿良好、金相切片结果显示焊点界面上形成了很好的金属间化物，但如果稍受外部的正常的应力作用，焊点就会出现开裂失效。
这种失效往往是在产品出厂后或使用的一段不长的时间内，制程中并不容易发现，这样就会给厂家带来很大的损失与品牌影响。
本文将对这种可靠性问题与解决方案进行深入的分析。
1 无铅焊点可靠性问题产生的背景
目前无铅SMT组装工艺中，普遍使用锡银铜（SAC）系列的无铅焊料合金，这种合金与传统的锡铅共晶焊料相比，最显著的特点是SAC具有较高的熔点与明显下降的润湿性，这就要求在工艺中使用更高的焊接温度与焊接时间，也就必然导致PCB焊盘或元器件的引线脚上的金属镀层金属化熔解与扩散速度明显加快。
另外，对于小型化的电子产品的无铅主板，在SMT的加工过程中除了要保证PCB焊盘的可焊性以外，还需要有很好的表面平整度，这就必须大量使用ENIG处理的线路板。
ENIG的本身主要问题是容易出现黑焊盘、金镀层薄、镍扩散、表面污染或晶挛结构异常导致的可焊性不良。
高熔点低润湿性能无铅焊料以及高密度封装的BGA器件的使用常常导致虚焊假焊等问题。
本文中所遇到的典型案例则与上述情况有所不同。
一大批MP3主板生产后期通过功能检查发现失效，其工艺中使用的无铅焊料是SAC305的（即含有3％的银，0.5％的铜，余量为锡），PCB的焊盘的表面处理是化学镍金（ENIG）的镀层。
出厂检测以及后期使用时发现主板失效率非常高，工艺参数经检查没有发现问题，而通过功能检测与电性能分析发现，该主
板上的一个BGA 封装的芯片（如图1所示）的焊点失效。
图1 失效的MP3主板（红框中即为焊点失效的BGA 器件）
2 实验研究方法
由于该案例中的失效样品较多，且初步的失效定位已经完成，为了直接找到焊点失效的根本原因，本文按照IPC-TM-650 2.1.1规定的方法，对该BGA 器件直接进行切片，然后使用金相显微镜与扫描电镜分别观察失效焊点合金界面；同时辅以X 射线能谱（EDS）对切片界面的感兴趣的局部区域进行成分分析的方式。
获得初步的失效原因后在进行现场的试验验证，以证实失效机理的准确性。
3 结果分析与讨论
切片分析发现，失效BGA 的焊点中的S1和S12（见图2）均局部或全部在焊点的界面上出现开裂，其它位置如S10焊点则显示界面结合良好（图4），发现开裂失效的焊点均集中在BGA 器件的四周边缘的位置，但没有发现BGA 有翘曲或变形的情况，即对于焊点而言没有受到特殊的外力影响。
说明正常情况下器件四周焊点所受的应力要比内部的焊点要大，无论如何，一个良好的合格焊点应该能够承受这种正常的外来应力。
图 2 失效BGA 焊点的整体切片照片（S1，S2。
S10，S12分别为焊点的序号） 图3 第S1（见图2）焊点的金相切片（箭头指示处已经发现开裂）
NG
001
S1 S10 .. S12
那是什么原因导致边缘的焊点早期失效呢，目前那些没有开裂的焊点是否也将很快开裂？为此，我们将图3中所示的典型失效焊点的局部放大（见图5）仔细检查，与正常的没有失效的焊点一样，在焊点中PCB 焊盘与焊料的界面上均生成了很好的金属间化物，使用SEM 对金属间化物的厚度进行测量发现厚度在2～3微米左右，可以说比较理想。
一般对焊点的检查也是这样，当发现焊点中生成了的明显的金属间化物并且厚度适当（一般1～3微米），就认为这些焊点可靠，工艺参数设置合理。
但就本案例来说，则情况大不一样，这就是它容易蒙蔽人的一个典型故障特征。
a
b 图4 焊点S10的金相切片
（a：焊点整体切片，b：界面局部；焊点形成了良好的金属间化物）
a
b 图5 失效焊点的失效界面金相结构
（a：金相显微镜照片，b：扫描电镜照片）
再仔细观察焊点开裂的界面发现，开裂的部位是在金属间化物与焊盘的镍镀层之间，不用说镍镀层表面的金保护层已经消失。
但既然形成了镀层与焊料合金的化合物IMC，为何该化合物又会与镀层撕裂？估计问题出在IMC 上，于是我们使用EDS 分析IMC 的元素成分，典型的结果见图6。
结果不出所料，IMC 中铜的含量高达26％（重量比），一般情况下SAC 合金与镍镀层之间不应该出现高达百分之二十以上的铜的含量，在其它正常部位的焊点的IMC 分析的结果也大体如此。
因为焊盘中的铜是在几个微米后的镍镀层的下面，IMC 中高浓度的铜的来源就成了个迷。
但经过仔细分析，只能推断镍镀层之下的铜经过无铅焊接的高温过程扩散 Ni Cu SAC
图6 失效焊点中IMC的EDS分析结果
进入IMC，扩散的路径应该是镍镀层的缝隙或破损之处，因此进一步推断PCB焊盘镍镀层存在龟裂的质量缺陷。
而我们并没有从切片的界面上发现这种开裂可能是由于开裂的裂纹正好不在切片的界面，毕竟切片仅仅经过了焊盘的一个截面。
为此，我们进一步抛磨制作多个切片截面。
结果发现，其中之一（图7）非常明显的解释了这一推测，IMC中的铜含量仍然异常的高，并且在IMC的下面的镍镀层明显开裂，这些裂纹可能就是铜扩散进入IMC的途径。
为了证实这一推测，采取更换PCB材料的方式进行验证，果然在更换PCB后问题得到解决。
图7 另一典型失效焊点的切片照片与IMC分析结果
无论是使用无铅焊料或有铅的焊料，使用ENIG的线路板进行组装，得到的典型的金属间化物均是Ni3Sn4，如果有少量铜的混入，则也有针状的（Ni0.9Cu0.1）Sn4或粒状结构（Ni0.44Cu0.56）Sn4金属间化物的报道[1]，但在本案例中均没有发现。
很显然，铜的大量异常的扩散进入锡镍IMC中必然改变其结构和物理力学性能，脆性增加而与镍镀层的结合力减弱，导致即是焊点本来应该能够承受的正常应力都承受不了，形成早期失效。
即是目前还
暂时没有失效的那些焊点其可靠性必然显著下降，这种隐含的缺陷一旦暴发，由其组装的电子整机产品必然故障频频。
4 因应对策
为了控制这种不易发觉且危害极大的潜在的可靠性问题，就必须根据本文上面所找到的失效机理，采取有效的控制措施予以控制。
首先可以通过来料检验发现和控制镀层不良的PCB进入生产线，特别注意去金镀层后检查镍镀层的质量，除了不能出现黑焊盘外还不能出现结晶颗粒界面的开裂，以免给铜扩散形成通道。
其次，就是要注意焊接的工艺条件，不能长时间高温以致回流过头。
总之，不要在希望形成Cu6Sn5的金属间化物时混入不当的镍，或在应该形成Ni3Sn4金属间化物时有混入不当的铜。
结 论
通过以上所述的典型案例分析，可以得到如下一些结论：
1）铜不当扩散进入锡镍的金属间化物，会明显降低该金属间化物与镍镀层之间的结合强度，这种过程的发生非常隐蔽，需要那些使用ENIG的PCB进行SMT加工的厂家予以足够重视，同时也发现仅仅是依靠金相切片来检查焊点的质量与可靠性显然是不够的； 2）高温或长时间的过渡回流以及焊盘（ENIG）中的镍镀层开裂将有助于这种铜扩散的发生；3）通过PCB的来料检验和工艺条件优化可以有效控制这一问题的发生。
参考文献
1）K.S. Kim , S.H. Huh , K. Suganuma，Journal of Alloys and Compounds 352 (2003) 226–236。