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SMT焊接中冷焊、假焊、空焊、虚焊的定义和原因 发布时间:2017-03-14

在现今的SMT工艺中,大多厂家面对着不同的SMT工艺不良,比如锡珠、残留、假焊、冷焊、空焊、虚焊……特别是后面四种,许多朋友都无法分辨他们之间的区别,因为这四种不良看起来好像都一样,下面就为大家解释下这四种不良的定义:


1、假焊,是指表面上好像焊住了,但实际上并没有焊上。有时用手一拔,引线就可以从焊点中拔出。

2、虚焊,是焊点处只有少量的锡焊住,造成接触不良,时通时断。虚焊与假焊都是指焊件表面没有充分镀上锡层,焊件之间没有被锡固住,是由于焊件表面没有清除干净或焊剂用得太少所引起的。

3、空焊,是焊点应焊而未焊。锡膏太少、零件本身问题、置件位置、印锡后放置时间过长…等会造成空焊。
4、冷焊,是在零件的吃锡接口没有形成吃锡带,(即焊锡不良)。流焊温度太低、流焊时间太短、吃锡性问题…等会造成冷焊。







假焊:是指表面上好像焊住了,但实际上并没有焊上。有时用手一拔,引线就可以从焊点中拔出。
==>焊接的强度不够,焊接在PCB上的零部件容易被碰撞脱落,同时PCB与零部件均为完好无损。见下图》






合金物
IMC系Intermetalliccompound之缩写,笔者将之译为”介面合金共化物”,可以简称“介金属”。


IMC广义上说是指某些金属相互紧密接触之介面间,会产生一种原子迁移互动的行为,组成一层类似合金的”化合物”,并可写出分子式。在焊接领域的狭义上是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物。其中尤以铜锡间之良性Cu6Sn5(EtaPhase)及恶性Cu3Sn(EpsilonPhase)最为常见,对焊锡性及焊点可靠度(即焊点强度)两者影响最大,特整理多篇论文之精华以诠释之。


一、定义
能够被锡铅合金焊料(或称焊锡Solder)所焊接的金属,如铜、镍、金、银等,其焊锡与被焊底金属之间,在高温中会快速形成一薄层类似”锡合金”的化合物。此物起源于锡原子及被焊金属原子之相互结合、渗入、迁移、及扩散等动作,而在冷却固化之后立即出现一层薄薄的”共化物”,且事后还会逐渐成长增厚。此类物质其老化程度受到锡原子与底金属原子互相渗入的多少,而又可分出好几道层次来。这种由焊锡与其被焊金属介面之间所形成的各种共合物,统称IntermetallicCompound简称IMC,本文中仅讨论含锡的IMC,将不深入涉及其他的IMC。


二、一般性质

由于IMC曾是一种可以写出分子式的”准化合物”,故其性质与原来的金属已大不相同,对整体焊点强度也有不同程度的影响,首先将其特性简述于下:
◎IMC在PCB高温焊接或锡铅重熔(即熔锡板或喷锡)时才会发生,有一定的组成及晶体结构,且其生长速度与温度成正比,常温中较慢。一直到出现全铅的阻绝层(Barrier)才会停止。
◎IMC本身具有不良的脆性,将会损及焊点之机械强度及寿命,其中尤其对抗劳强度(FatigueStrength)危害最烈,且其熔点也较金属要高。◎由于焊锡在介面附近得锡原子会逐渐移走,而与被焊金属组成IMC,使得该处的锡量减少,相对的使得铅量之比例增加,以致使焊点展性增大(Ductillity)及固着强度降低,久之甚至带来整个焊锡体的松弛。


◎一旦焊垫商原有的熔锡层或喷锡层,其与底铜之间已出现”较厚”间距过小的IMC后,对该焊垫以后再续作焊接时会有很大的妨碍;也就是在焊锡性(Solderability)或沾锡性(Wettability)上都将会出现劣化的情形。
◎焊点中由于锡铜结晶或锡银结晶的渗入,使得该焊锡本身的硬度也随之增加,久之会有脆化的麻烦。◎IMC会随时老化而逐渐增厚,通常其已长成的厚度,与时间大约形成抛物线的关系,


三、焊锡性与表面能
若纯就可被焊接之底金属而言,影响其焊锡性(Solderability)好坏的机理作用甚多,其中要点之一就是”表面自由能”(SurfaceFreeEnergy,简称时可省掉Free)的大小。也就是说可焊与否将取决于:
(1)被焊底金属表面之表面能(SurfaceEnergy),(2)焊锡焊料本身的”表面能”等二者而定。
凡底金属之表面能大于焊锡本身之表面能时,则其沾锡性会非常好,反之则沾锡性会变差。也就是说当底金属之表面能减掉焊锡表面能而得到负值时,将出现缩锡(Dewetting),负值愈大则焊锡愈差,甚至造成不沾锡(Non-Wetting)的恶劣地步。


新鲜的铜面在真空中测到的”表面能”约为1265达因/公分,63/37的焊锡加热到共熔点(EutecticPoint183℃)并在助焊剂的协助,其表面能只得380达因/公分,若将二者焊一起时,其沾锡性将非常良好。然而若将上述新鲜洁净的铜面刻意放在空气中经历2小时后,其表面能将会遽降到25达因/公分,与380相减不但是负值(-355),而且相去甚远,焊锡自然不会好。因此必须要靠强力的助焊剂除去铜面的氧化物,使之再活化及表面能之再次提高,并超过焊锡本身的表面能时,焊锡性才会有良好的成绩。

四、锡铜介面合金共化物的生成与老化

当熔融态的焊锡落在洁铜面的瞬间,将会立即发生沾锡(Wetting俗称吃锡)的焊接动作。此时也立即会有锡原子扩散(Diffuse)到铜层中去,而铜原子也同时会扩散进入焊锡中,二者在交接口上形成良性且必须者Cu6Sn5的IMC,称为η-phase(读做Eta相),此种新生”准化合物”中含锡之重量比约占60%。若以少量的铜面与多量焊锡遭遇时,只需3-5秒钟其IMC即可成长到平衡状态的原度,如240℃的0.5μm到340℃的0.9μm。然而在此交会互熔的同时,底铜也会有一部份熔进液锡的主体锡池中,形成负面的污染。


(a)最初状态:当焊锡着落在清洁的铜面上将立即有η-phaseCu6Sn5生成。
(b)锡份渗耗期:焊锡层中的锡份会不断的流失而渗向IMC去组新的Cu6Sn5,而同时铜份也会逐渐渗向原有的η-phase层次中而去组成新的Cu3Sn。此时焊锡中之锡量将减少,使得铅量在比例上有所增加,若于其外表欲再行焊接时将会发生缩锡。
(c)多铅之阻绝层:当焊锡层中的锡份不断渗走再去组成更厚的IMC时,逐渐使得本身的含铅比例增加,最后终于在全铅层的挡路下阻绝了锡份的渗移。
(d)IMC的曝露:由于锡份的流失,造成焊锡层的松散不堪而露出IMC底层,而终致到达不沾锡的下场(Non-wetting)。


高温作业后经长时老化的过程中,在Eta-phase良性IMC与铜底材之间,又会因铜量的不断渗入Cu6Sn5中,而逐渐使其局部组成改变为Cu3Sn的恶性ε-phase(又读做Epsilon相)。其中铜量将由早先η-phase的40%增加到ε-phase的66%。此种老化劣化之现象,随着时间之延长及温度之上升而加剧,且温度的影响尤其强烈。由前述”表面能”的观点可看出,这种含铜量甚高的恶性ε-phase,其表面能的数字极低,只有良性η-phase的一半。因而Cu3Sn是一种对焊锡性颇有妨碍的IMC。


然而早先出现的良性η-phaseCu6Sn5,却是良好焊锡性必须的条件。没有这种良性Eta相的存在,就根本不可能完成良好的沾锡,也无法正确的焊牢。换言之,必需要在铜面上首先生成Eta-phase的IMC,其焊点才有强度。否则焊锡只是在附着的状态下暂时冷却固化在铜面上而已,这种焊点就如同大树没有根一样,毫无强度可言。锡铜合金的两种IMC在物理结构上也不相同。其中恶性的ε-phase(Cu3Sn)常呈现柱状结晶(ColumnarStructure),而良性的η-phase(Cu6Sn5)却是一种球状组织(Globular)。下图8此为一铜箔上的焊锡经长时间老化后,再将其弯折磨平抛光以及微蚀后,这在SEM2500倍下所摄得的微切片实像,两IMC的组织皆清晰可见,二者之硬度皆在500微硬度单位左右。


在IMC的增厚过程中,其结晶粒子(Grains)也会随时在变化。由于粒度的变化变形,使得在切片画面中量测厚度也变得比较困难。一般切片到达最后抛光完成后,可使用专门的微蚀液(NaOH50/gl,加1,2-Nitrphenol35ml/l,70℃下操作),并在超声波协助下,使其能咬出清晰的IMC层次,而看到各层结晶解里面的多种情况。

将造成缩锡或不沾锡较低只有Eta的一半,非常有趣的是,单纯Cu6Sn5的良性IMC,虽然分子是完全相同,但当生长环境不同时外观却极大的差异。如将清洁铜面热浸于熔融态的纯锡中,此种锡量与热量均极度充足下,所生成的Eta良性IMC之表面呈鹅卵石状。但若改成锡铅合金(63/37)之锡膏与热风再铜面上熔焊时,亦即锡量与热量不太充足之环境,居然长出另一种一短棒状的IMC外表(注意铜与铅是不会产生IMC的,且两者之对沾锡(wetting)与散锡(Spreading)的表现也截然不同。再者铜锡之IMC层一旦遭到氧化时,就会变成一种非常顽强的皮膜,即使薄到5层原子厚度的1.5nm,再猛的助焊剂也都奈何不了它。这就是为什么PTH孔口锡薄处不易吃锡的原因(C.Lea的名著AscientificGuidetoSMT之P.337有极清楚的说明),故知焊点之主体焊锡层必须稍厚时,才能尽量保证焊锡性于不坠。事实上当”沾锡”(Wetting)之初,液锡以很小的接触角(ContactAngle)高温中迅速向外扩张(Spreading)地盘的同时,也另在地盘内的液锡和固铜之间产生交流,而向下扎根生成IMC,热力学方式之步骤,即在说明其假想动作的细节。


六、锡金IMC

焊锡与金层之间的IMC生长比铜锡合金快了很多,由先后出现的顺序所得的分子式有AuSn,AuSn2,AuSn4等。在150℃中老化300小时后,其IMC居然可增长到50μm(或2mil)之厚。因而镀金零件脚经过焊锡之后,其焊点将因IMC的生成太快,而变的强度减弱脆性增大。幸好仍被大量柔软的焊锡所包围,故内中缺点尚不曝露出来。又若当金层很薄时,例如是把薄金层镀在铜面上再去焊锡,则其焊点强度也很快就会变差,其劣化程度可由耐疲劳强度试验周期数之减少而清楚得知。


曾有人故意以热压打线法(Thermo-Compression,注意所用温度需低于锡铅之熔点)将金线压入焊锡中,于是黄金就开始向四周的焊锡中扩散,逐渐形成如图中白色散开的IMC。该金线原来的直径为45μm,经155℃中老化460小时后,竟然完全消耗殆尽,其效应实在相当惊人。但若将金层镀在镍面上,或在焊锡中故意加入少许的铟,即可大大减缓这种黄金扩散速度达5倍之多。

七、锡银IMC
锡与银也会迅速的形成介面合金共化物Ag3Sn,使得许多镀银的零件脚在焊锡之后,很快就会发生银份流失而进入焊锡之中,使得银脚焊点的结构强度迅速恶化,特称为”渗银Silverleaching”。此种焊后可靠性的问题,曾在许多以钯层及银层为导体的“厚膜技术”(ThickFilmTechnology)中发生过,SMT中也不乏前例。若另将锡铅共融合金比例63/37的焊锡成分,予以小幅的改变而加入2%的银,使成为62/36/2的比例时,即可减轻或避免发生此一”渗银”现象,其焊点不牢的烦恼也可为之舒缓。最近兴起的铜垫浸银处理(ImmersionSilver),其有机银层极薄仅4-6μm而已,故在焊接的瞬间,银很快就熔入焊锡主体中,最后焊点构成之IMC层仍为铜锡的Cu6Sn5,故知银层的功用只是在保护铜面而不被氧化而已,与有机护铜剂(OSP)之Enetk极为类似,实际上银本身并未参加焊接。


八、锡镍IMC

电子零件之接脚为了机械强度起见,常用黄铜代替纯铜当成底材。但因黄铜中含有多量的锌,对于焊锡性会有很大的妨碍,故必须先行镀镍当成屏障(Barrier)层,才能完成焊接的任务。事实上这只是在焊接的瞬间,先暂时达到消灾避祸的目的而已。因不久后镍与锡之间仍也会出现IMC,对焊点强度还是有不良的影响。


在一般常温下锡与镍所生成的IMC,其生长速度与锡铜IMC相差很有限。但在高温下却比锡铜合金要慢了很多,故可当成铜与锡或金之间的阻隔层(BarrierLayer)。而且当环境温度不同时,其IMC的外观及组成也各不相同。此种具脆性的IMC接近镍面者之分子视为Ni3Sn4,接近锡面者则甚为分歧难以找出通式,一般以NiSn3为代表。根据一些实验数据,后者生长的速度约为前者的三倍。又因镍在空气非常容易钝化(Passivation),对焊锡性也会出现极其不利的影响,故一般在镍外表还要镀一层纯锡,以提高焊锡性。若做为接触(Contact)导电用途时,则也可镀金或银。


九、结论

各种待焊表面其焊锡性的劣化,以及焊点强度的减弱,都是一种自然现象。正如同有情世界的生老病死及无情世界的颓蚀风化一样均迟早发生,无法避免。了解发生的原因与过程之后,若可找出改善之道以延长其使用年限,即为上上之策。




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