电路板无铅焊接的隐忧（三）介面微洞

 笔者曾在前期，首先以銲点空洞、銲环浮裂，与引脚锡须等三大缺失，说明无铅焊接比现行之有铅焊接，存在著更多更恶劣的不良品质。事实上还有更多的隐忧，致令无铅焊接之可靠度不免为之大打折扣。此等种种负面品质的呈现，尚待业界与供应商们争取时效加紧努力，试图解决某些痛苦以及某些已知与未知的难题，否则必将会在上下游与周边等各种供需之间，造成无穷的纠纷与无尽的困扰。
       一、主流銲料的形成
       无铅焊料目前已敲定“锡银铜”之SAC305(S n 9 6.5％、A g 3.0％、C u 0.5％)或SAC405(S n 9 5.5％、A g 4.0％、C u 0.5％)等标称(N O m i n a 1)重量比之合金为主流，业界已做大量的多样性试验，建立了量产可用的温时线与多种失效模式的范例与共识，且也获取了若干实务信心。上下游几乎不可能再去花费更多的精力与时间，对于其他合金銲料另行大幅研究。日本业者常用熔点较低的“锡锌铋”合金(S n 8 9％、Z n 8.0％、B i 3.0％)，或其他含锑(S b)含铐(G e)或含镍(N i)的各种銲料；事实上欧美下游的各大O E M客户们很少予以认同，一旦出了问题，只好在缺乏公正仲裁下自谋解困之道了。https://www.nodsmt.com
此为无铅SAC与有铅Sn63两种熔焊(Relow)温时曲线(PrOnle)的比较情形

       图1、此为无铅SAC与有铅Sn63两种熔焊(Relow)温时曲线(PrOnle)的比较情形。
       主流之两种锡银铜焊料中又以SAC305略占上风，原因之一是少了1%的银份其成本自然较便宜，其二是銲点中长条状A g3S n的不良IMC也为之减少。目前之S A C 3 O 5合金配方专利，系日本千住金属与美国爱荷华大学所共同拥有，凡採用之各国銲料供应商皆须付给专利费用。
       至于波焊，waVeSolderin g，与PCB的喷锡制程，虽然也能採用SAC305，但为节省成本起见，亦可採用较便宜的锡铜合金（Sn99.3％ by w t，C u 0.7％b y w t)，但其熔点却比SAC305高出l 0℃而达227℃。更因此料之沾锡时间要比S n 6 3／P b 3 7者长了很多，故其峰温2 6 5-2 7 0℃中之停留时间，也需自原本有铅的3—4秒延长到4—5秒。
且当波焊或喷锡其锡池中的铜量增多0.2％by wt时，其液化温度还将再上个升6℃，对于板材与零件的伤害都会增大。此等伤害对于面积较大厚度较厚的大板面，更是雪上加霜灾难连连，经常会造成分层爆板的悲惨下场。一旦大型空板曾经过喷锡270℃，强大热应力折磨者，4-7秒，，其后续之汲焊更难。从成本与品质而言，是否选用2 2 7，C的锡铜合金进行喷锡与波焊，的确值得三思。
       二、介面微洞
       （一）、介面微洞的位置
       当銲料(So1der)在P C B銲垫(P a d s)基地上形成銲点(So1der Poi nt)之瞬间，该銲垫基地(指铜与镍而言)与銲点主体銲料之间，经常会发生许多微小空洞。此种处于介面而直径小于40μm的微洞，事实上多半在于铜与锡之间，而与IMC所交错并存。发生微洞处自然无法生成IM C，其结合强度也必定付之阙如。
左为介面微洞的切片侧视图，右为Dage品牌高解度X—ray所看到之俯视图

       图2、左为介面微洞的切片侧视图，右为Dage品牌高解度X—ray所看到之俯视图。
       （二）、介面微洞的后患
       此种介面之微洞，与远离介面而发生于銲点中的空洞，其等成因并不完全相同。但对銲点结合强度而言，数量颇多的介面微洞反而更具杀伤力。此等区别可从高品质的微切片画面上得以办识，或从高功率高解析度的X—r ay检验设备中清楚加以判断。一旦发生銲点强度问题，所有证据将无所遁形。
介面形成之空洞有大有小，超过40μm的介面大洞对銲点强度的破坏力极大

       图3、介面形成之空洞有大有小，超过40μm的介面大洞对銲点强度的破坏力极大。
       （三）、介面微洞的主因
       PCB焊垫表面之实用可焊处理有：喷锡、浸银、浸锡、OSP以及ENIG。前四者均以铜为IMC基地，而化镍浸金则以化学镍为焊接基地形成Ni3Sn4事实上对高密度SMT焊接而言，喷锡製程已经寻E常不适用了。而其他四种表面处理层中均将会出现有机物的参与，高温中裂解成气而未能及时逸走时，当然就只好留在原地形成微洞了。事实上工曲S n、I-A g、O S P等皮膜与ENIG的金层等，只扮演底铜与底镍的保护皮膜使不致于氧化而拒焊，其本身并未参与焊接(I-S n除外)的反应。故知其厚度愈薄者有机物将愈少，所发生介面微洞的机会就愈小了，不过皮膜太薄者又无法达到护焊的功用。
       造成介面微洞的缘由，除了表面处理层本身难辞其咎外，另外助焊剂配方，焊温焊时(Profile)，垫面清洁、锡膏吸水、以及銲垫设计形式等，都将是介面微洞的肇因。目前为了降低组装高度，节省成本，某些原先QF P(Quad  F1at Package)的伸脚Gu11 wing或勾脚了J-1 e a d等，部份产品将予以取消，而将元件腹底外围直接设计上方垫，P C B板面也对应加设承垫，直接用锡膏进行面对面的贴焊，特称之为Quad F1at NO-1ead(Q FN)。此种全新亮相Q FN銲点中原已发生颇多的空洞，无铅焊接将更是加火上浇油品质荡然。且元件腹底方垫其切割侧面的纯锡镀层，彼此比邻的锡须生长又将是另一番心腹之痛。
左为BGA球脚銲点申的空洞；右为QFN全扁銲点中的空洞。但其中央承接封装体之较大方垫者，系导热膏接著之不均情形

       图4、左为BGA球脚銲点申的空洞；右为QFN全扁銲点中的空洞。但其中央承接封装体之较大方垫者，系导热膏接著之不均情形。
       （四）、介面微洞的假说
       由于各式銲点空洞的成因太多(其中有铅与无铅混料者空洞更多)，要仔细分辨出介面微洞又不是很容易，麦特公司的DOnaldCu11en先生曾在2005年2月于ECWC的论文(S26—2)中，提出两种主要假说：
       1．铜面遭到污染，如绿漆的微量残渣等。
       2．铜面过度粗糙或其他污染，或水气附著等。
       该文并深入探讨而列出2 7种可能的原因，错综複杂实在让人眼花瞭乱不知所从。不过该论文中已对I-A g做了较清楚的说明，认为皮膜中的有机物含量约为0.5％一0.2％by wt，主要来自槽液中的细晶剂，抗变色剂，以及所设定Pofi1e峰温低了2 0℃而可能形成的冶焊(Cold Soldering)，此种冶焊也会带来极多的介面微洞。当然银层太厚有机物太多还是首要原因。
介面空洞所造球脚銲点断头的微切片与X-ray透视两图之比较

       图5、介面空洞所造球脚銲点断头的微切片与X-ray透视两图之比较，
       （五）、另一种Kirkendall  Voids
       铜基地接受高热焊接的瞬间，当其铜份对液锡的溶入 (Disso1ution)速率不均时，则在所长出的Cu6Sn5IMC与底铜之间，会形成另一种让附近原子来不及移动替补(Disp1acement)而形成的微洞，称之为K洞。通常当焊后的板子又不断受到高温衝击时，此等K洞还会逐渐变多变大，也将带来銲点强度不足的麻烦。目前有关此种K洞的研究尚不普及。
此为无铅焊接又经高温老化后，从SEM昼面所见到的K洞，可清楚辨识是存在于底铜与长厚的IMC之间

       图6、此为无铅焊接又经高温老化后，从SEM昼面所见到的K洞，可清楚辨识是存在于底铜与长厚的IMC之间。
       关于介面微洞的研究还有很多，随着全面无铅的脚步愈来愈近，笔者只能根据已公开发表的最新论文与自身实务经验，整理出一些脉络以供参考，尚盼能减少若干灾情于事先，则于愿已足矣。