最新研究顯示,無鉛焊接可能是很脆弱的,特別是在沖擊負載下容易出現過早的界面破壞,或者往往由于適度的老化而變得脆弱。脆化機理當然會因焊盤的表面處理而異,但是常用的焊盤鍍膜似乎都不能始終如一地免受脆化過程的影響,這對于長時間承受比較高的工作溫度和機械沖擊或劇烈振動的產品來說,是非常值得關注的。
由于常用的可焊性表面敷層都伴隨著脆化的風險,所以電子工業當前面臨一些非常困難的問題。然而,這些脆化機理的表現形式存在可變性,故為避免或控制一些問題帶來了希望。
在電子行業內,雖然每家公司都必須追求各自的利益,但是在解決無鉛焊接的脆弱性及相關的可靠性問題上,他們無疑有著共同的利害關系,特別是考慮到過渡至無鉛焊接技術的時間表甚短。
脆變問題影響
微電子封裝工業依賴焊接點在各色各樣的組件之間形成穩健的機械連接和電氣互聯,散熱問題、機械沖擊或振動往往給焊接點帶來很大的負荷。在過去幾年里,業界針對無鉛技術進行了大量的開發工作。
最新的報告提出了一些出乎意料的建議:脆變問題與Cu和Ni/Au電鍍的焊盤表面都有關系。事實上,沒有任何常用的可焊性表面敷層能夠一直免受脆變問題的影響。
隨著無鉛焊接技術的即將實施,這種境況可能在微電子工業引起嚴重的可靠性關注和基礎結構問題。無論如何,脆變過程表現形式的可變性(至少是Cu焊盤系統),可以解釋某些脆變機理,并且有望加以控制。
簡而言之,焊點上的機械應力來源于插件板上施加的外力或焊接結構內部的不匹配熱膨脹。在足夠高的壓力下,焊料的蠕變特性有助于限制焊點內的應力。即使是一般的熱循環,通常也要求若干焊點能經受得住在每次熱循環中引起蠕變的負荷,因此,焊盤上金屬間化合物的結構必須經受得住焊料蠕變帶來的負荷。在外加機械負荷的情況下,尤其是系統機械沖擊引起的負荷,焊料的蠕變應力總是比較大,原因是這種負荷對焊點施加的變形速度比較大。因此,即使是足以承受熱循環的金屬間化合物結構,也會在剪力或拉力測試期間最終成為最脆弱的連接點。
然而,這不一定是問題的直接決定性因素,因為外加機械負荷往往能夠在設計上加以限制,使之不會引起太大的焊料蠕變,或者至少不會在焊接界面引起斷裂。盡管如此,在這些測試中,從貫穿焊料的裂紋變成焊盤表面或金屬間化合物的斷裂,就是一種不斷脆化的跡象。通常,顯示脆性界面破裂而無明顯塑性變形的焊接是許多應用的固有問題,這些應用中的焊點沖擊負荷是可以預見的。在這些情況下,焊點內的能量幾乎沒有多少能夠在斷裂過程中散逸出去,因此焊點的結構自然容易出現沖擊強度問題。