最新研究显示，无铅焊接可能是很脆弱的，特别是在冲击负载 下容易出现过早的界面破坏，或者往往由于适度的老化而变得脆弱。 脆化机理当然会因焊盘的表面处理而异，但是常用的焊盘镀膜似乎都 不能始终如一地免受脆化过程的影响，这对于长时间承受比较高的工 作温度和机械冲击或剧烈振动的产品来说，是非常值得关注的。

由于常用的可焊性表面敷层都伴随着脆化的风险，所以电子工业 当前面临一些非常困难的问题。然而，这些脆化机理的表现形式存在 可变性，故为避免或控制一些问题带来了希望。

在电子行业内，虽然每家公司都必须追求各自的利益，但是在解 决无铅焊接的脆弱性及相关的可靠性问题上，他们无疑有着共同的利 害关系，特别是考虑到过渡至无铅焊接技术的时间表甚短。

脆变问题影响

微电子封装工业依赖焊接点在各色各样的组件之间形成稳健的机 械连接和电气互联，散热问题、机械冲击或振动往往给焊接点带来很 大的负荷。在过去几年里，业界针对无铅技术进行了大量的开发工作。

最新的报告提出了一些出乎意料的建议：脆变问题与Cu和Ni/ Au电镀的焊盘表面都有关系。事实上，没有任何常用的可焊性表面 敷层能够一直免受脆变问题的影响。

随着无铅焊接技术的即将实施，这种境况可能在微电子工业引起 严重的可靠性关注和基础结构问题。无论如何，脆变过程表现形式的 可变性(至少是Cu焊盘系统)，可以解释某些脆变机理，并且有望加以 控制。

简而言之，焊点上的机械应力来源于插件板上施加的外力或焊接 结构内部的不匹配热膨胀。在足够高的压力下，焊料的蠕变特性有助 于限制焊点内的应力。即使是一般的热循环，通常也要求若干焊点能 经受得住在每次热循环中引起蠕变的负荷，因此，焊盘上金属间化合 物的结构必须经受得住焊料蠕变带来的负荷。在外加机械负荷的情况 下，尤其是系统机械冲击引起的负荷，焊料的蠕变应力总是比较大， 原因是这种负荷对焊点施加的变形速度比较大。因此，即使是足以承 受热循环的金属间化合物结构，也会在剪力或拉力测试期间最终成为 最脆弱的连接点。

然而，这不一定是问题的直接决定性因素，因为外加机械负荷往 往能够在设计上加以限制，使之不会引起太大的焊料蠕变，或者至少 不会在焊接界面引起断裂。尽管如此，在这些测试中，从贯穿焊料的 裂纹变成焊盘表面或金属间化合物的断裂，就是一种不断脆化的迹象。 通常，显示脆性界面破裂而无明显塑性变形的焊接是许多应用的固有 问题，这些应用中的焊点冲击负荷是可以预见的。在这些情况下，焊 点内的能量几乎没有多少能够在断裂过程中散逸出去，因此焊点的结 构自然容易出现冲击强度问题。

在某些应用中，一些脆变机理即使在CTE失配应力条件下也可以 令焊点弱化，导致过早的焊点失效。事实上，即使在很小的负载下， 金属间化合物中持续发展的空洞也会引起故障。

尽管与焊接Ni/Au镀膜焊盘有关的问题早已广为人知，但是 最新观察结果却可能反映出如下所述的新现象。人们以往一直认为涂 有OSP保护层、浸银、浸锡或焊料的Cu焊盘在这一点上是“比较安全” 的，但即使对Sn-Pb焊料而言，这并不是表示退化机理全然不存 在。事实上，Cu通过界面上的Cu3Sn和Cu6Sn5金属间化合物薄层迅 速扩散，往往在Cu/Cu3Sn和/或Cu3Sn/Cu6Sn5界面上形成Kirkendall 空洞。然而，这些空洞通常维持很低的密度，而且小得用光学显微 镜也看不见，因此常不被视为有任何实际的意义。

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，这 一后果似乎是由Cu3Sn/Cu界面的Kirkendall空洞生长而造成的，在 标准老化条件(20天至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。该现象已经获得其他研究证实，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，而IBM所作的研究提出了焊接脆弱性与电镀批次的相关性。 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。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。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。 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像 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。

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微英寸至50微英寸(0.63μm至 1.3μm)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。多种迹象表明，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， 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。

控制脆化过程

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。