焊点失效之铜扩散机理

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。

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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）

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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