周傳君 周 嶺 馬 娜 王智斌 張紹東

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

0 引言

金鍍層具有強(qiáng)抗氧化能力，在航天電子產(chǎn)品中普遍采用金作為元器件各種基體或電極引線(xiàn)表面鍍層，采用錫-鉛焊料焊接元器件鍍金引線(xiàn)或鍍金電極形成焊點(diǎn)，此類(lèi)焊點(diǎn)多次發(fā)生過(guò)開(kāi)裂導(dǎo)致衛(wèi)星產(chǎn)品電氣連接失效的故障。20世紀(jì)80年代，在一個(gè)設(shè)備質(zhì)量問(wèn)題分析中發(fā)現(xiàn)此類(lèi)故障，通過(guò)權(quán)威部門(mén)檢測(cè)，該故障由于鍍金引線(xiàn)沒(méi)有去金，焊點(diǎn)產(chǎn)生“金脆”現(xiàn)象造成。

所謂“金脆”現(xiàn)象，指在金鍍層的表面焊接時(shí)，金擴(kuò)散于焊料中形成脆性的金屬間化合物AuSn4，當(dāng)Au的含量達(dá)到3wt%時(shí)表現(xiàn)出明顯的脆性，且焊點(diǎn)呈多顆粒狀、失去光亮。隨著Au含量增加至5wt%，拉力逐漸增加，然后下降，剪切力在含金量2wt%后下降，延展率在Au含量在8wt%后迅速下降［1］。

IPC標(biāo)準(zhǔn)《J—STD—001E》規(guī)定：通孔元器件引線(xiàn)和接線(xiàn)柱至少95%待焊表面上有厚度大于等于2.54μm的金層必須去金；表貼器件95%待焊表面無(wú)論有多厚的金必須去金。標(biāo)準(zhǔn)《DOD-STD—2000—1B》規(guī)定：在鍍金連接器和元件引線(xiàn)的焊接部位，如鍍層在1.27～2.54μm范圍內(nèi)時(shí)應(yīng)進(jìn)行一次搪錫，超過(guò)2.54μm的引線(xiàn)應(yīng)進(jìn)行流動(dòng)浸錫或靜止雙鍋搪錫。標(biāo)準(zhǔn)《ECSS-Q—ST—70—08C》中規(guī)定要進(jìn)行兩次搪錫，錫鍋1中金含量需小于1wt%，錫鍋2中金含量需小于0.2wt%。標(biāo)準(zhǔn)《NASA—STD—8739.3》規(guī)定焊料中金含量最大不得超過(guò)0.2wt%。德國(guó)人認(rèn)為3wt%含金量很難控制，因此應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行去金規(guī)定。航天標(biāo)準(zhǔn)《Q／W1038A—2017》中規(guī)定在任何情況下不得使用錫鉛焊料在鍍金層上直接進(jìn)行焊接。在國(guó)內(nèi)也有人認(rèn)為鍍金引線(xiàn)直接焊接從長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)判斷也并沒(méi)有發(fā)生過(guò)質(zhì)量問(wèn)題，因此也存在不用去金的論調(diào)。本文主要針對(duì)航天電子產(chǎn)品廣泛采用的Sn-Pb焊料在鍍金表面焊接形成焊點(diǎn)的工藝，分析焊點(diǎn)含金量、時(shí)效、器件不同封裝形式對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響，并深入分析了合金焊點(diǎn)金相組織結(jié)構(gòu)，最后介紹了一般去金工藝要求與去金不到位而導(dǎo)致器件失效案例。

1 金含量及時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度的影響

在很多標(biāo)準(zhǔn)與文章中提到了含金量與金層厚度的關(guān)系，為了便于讀者定性分析，拿普通直徑0.6 mm鍍2.5μm厚金的器件引腳為例，插焊在2 mm厚、直徑為1 mm孔中，假設(shè)焊料填滿(mǎn)通孔，不考慮金含量的不均勻性，其金含量約為1wt%，鍍金層越厚，含金量越高。

行業(yè)普遍認(rèn)為，焊料中Sn與Au生成脆性合金AuSn4是使焊點(diǎn)強(qiáng)度減弱并發(fā)生失效的原因，航天某院對(duì)此進(jìn)行了不同含金量抗拉強(qiáng)度測(cè)試和不同金層厚度的拉力試驗(yàn)［2］。結(jié)果表明：（1）焊料中含金量在5wt%以?xún)?nèi)時(shí)，焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度比純焊料稍高；含金量到10wt%以后抗拉強(qiáng)度急劇下降；含金量大于15wt%以后，強(qiáng)度不到純焊料的1／10；（2）超過(guò)5μm金層厚度時(shí)，部分金層溶入焊料，時(shí)效前引線(xiàn)從焊點(diǎn)中拉脫，焊料基本都留焊盤(pán)上，表明金層與焊料的結(jié)合強(qiáng)度較高，150℃時(shí)效后焊點(diǎn)結(jié)合力明顯減弱，各種金層厚度的試樣引線(xiàn)與焊盤(pán)結(jié)合力均明顯下降，最低時(shí)不到時(shí)效前40%。

由此可知，金含量對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量影響是一方面，大部分電氣故障不是在焊接完成后金與錫生成脆性金屬化合物所致，而是一定的溫度條件下時(shí)效，殘留的鍍金層與焊料之間由于互擴(kuò)散效應(yīng)，脆性金屬間化合物AuSn4不斷生成，形成脆性層，導(dǎo)致金脆故障。

2 含金焊點(diǎn)形貌對(duì)可靠性的影響

2.1 不同封裝器件焊點(diǎn)含金量要求

文獻(xiàn)［3］指出，沒(méi)有引腳釋放應(yīng)力的表貼器件金含量要求小于1wt%；BGA提出了小于0.3 wt%的要求；CSP表貼焊點(diǎn)對(duì)金含量也有限制，實(shí)驗(yàn)表明，含金量0.3wt%～0.5wt%將會(huì)影響壽命；近期研究，PBGA封裝在ENIG表面，即PCB為化學(xué)鎳金表面，發(fā)現(xiàn)Au超過(guò)0.3wt%，即可形成針狀A(yù)uSn4，經(jīng)過(guò)150℃烘烤14 d，Au-Sn金屬間化合物再析出，微裂紋穿過(guò)Ni3Sn4層，在焊盤(pán)鍍層界面發(fā)生金脆。

2.2 LCCC封裝器件焊點(diǎn)失效分析

LCCC（Leadless Ceramic Chip Carrier，無(wú)引腳陶瓷片式載體）封裝由于在微型化、薄性化及輕量化的優(yōu)勢(shì)，在軍用電子產(chǎn)品方面應(yīng)用廣泛。某單位對(duì)于該器件也發(fā)生過(guò)焊點(diǎn)去金不完全而失效的案例，器件焊接后，不同焊點(diǎn)中焊料組織類(lèi)似，焊點(diǎn)內(nèi)部存在Au-Sn枝狀晶（圖1），其余相組織較細(xì)小均勻，焊點(diǎn)中Au-Sn枝狀晶的形成與器件去金處理不徹底相關(guān)，當(dāng)焊點(diǎn)形成時(shí)Au殘留將以很快的速度進(jìn)入到液相焊料中，并與之發(fā)生冶金反應(yīng)，形成Au-Sn金屬間化合物并以枝狀晶的形式保留在焊點(diǎn)內(nèi)部。焊料中存在一定數(shù)量的孔洞等缺陷，局部區(qū)域還出現(xiàn)微裂紋，但這未形成連續(xù)的孔洞層或連續(xù)裂紋，因此焊點(diǎn)的電連接性能并未喪失。

圖1 LCCC器件引腳光學(xué)照片F(xiàn)ig.1 LCCC device pin optical photo

在-55～125℃條件下，進(jìn)行500周期循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)后的LCCC器件進(jìn)行焊點(diǎn)及組織分析，由于LCCC器件陶瓷封裝體與焊料及焊盤(pán)的CTE系數(shù)相差數(shù)倍以上，因此在熱循環(huán)過(guò)程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力很大，隨著熱循環(huán)過(guò)程中晶粒的粗化、成分偏析以及熱應(yīng)力的作用等導(dǎo)致焊點(diǎn)中拐角處的熱應(yīng)力集中導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生，隨著熱應(yīng)力的進(jìn)一步釋放，裂紋進(jìn)一步向焊料內(nèi)部擴(kuò)展。裂紋主要出現(xiàn)在器件側(cè)的焊點(diǎn)界面處（圖2），PCB銅焊盤(pán)與焊料結(jié)合相對(duì)緊密，未見(jiàn)明顯裂紋，更加表明該器件焊點(diǎn)因?yàn)槿ソ鸩粡氐字潞更c(diǎn)開(kāi)裂?？梢?jiàn)，該器件雖經(jīng)過(guò)搪錫去金，但去金處理不到位，加之該器件無(wú)引腳釋放溫循應(yīng)力，在溫度循環(huán)環(huán)境條件后，熱失配所造成的應(yīng)力只能通過(guò)裂紋進(jìn)行釋放，故最終焊點(diǎn)開(kāi)裂失效。

圖2 LCCC右側(cè)焊點(diǎn)SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photo of the right side solder joint

對(duì)兩只器件每邊各取3個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行側(cè)面中間、下面以及底面的金含量分析，結(jié)果詳見(jiàn)表1，兩只器件剖面成分分析結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)焊點(diǎn)的不同位置，含金量相差比較大，含金量分布并不均勻，所以并不能籠統(tǒng)的通過(guò)計(jì)算金含量或者通過(guò)金層厚度來(lái)判斷是否有產(chǎn)生金脆的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 能譜儀金含量測(cè)試結(jié)果Tab.1 Energy Spectrometer Gold Content Test Results w t%

表2 剖面成分分析Tab.2 Profile analysis w t%

3 金脆產(chǎn)生的金相組織分析

在電鍍鎳金（1μm的Au、7μm的Ni）表面焊接，反應(yīng)前［圖3（a）］Cu表面覆一層7μmNi和1μmAu，隨著焊接反應(yīng)及焊點(diǎn)冷卻迅速融入鉛錫焊料中形成AuSn4合金，在AuSn4合金與Ni層之間形成了Ni3Sn4合金［圖3（b）］，隨著150℃、3 h時(shí)化處理后，AuSn4合金發(fā)生了遷移與再分布，這些針狀的AuSn4會(huì)再次遷移到Ni3Sn4的表面，在焊料和Ni3Sn4合金又形成了（AuNi）Sn4合金［圖3（c）］，而隨著進(jìn)一步高溫老化試驗(yàn)（條件：160℃，500 h），（AuNi）Sn4合金也將繼續(xù)增長(zhǎng)。圖4給出的BGA焊點(diǎn)失效是沿著AuNiSn4與Ni3Sn4和Ni3Sn4與Ni層之間發(fā)生［4］。

文獻(xiàn)［5］中除了給出了典型的含金焊點(diǎn)微觀組織圖（圖5），還對(duì)失效焊點(diǎn)開(kāi)裂區(qū)域的含金量進(jìn)行了分析，分析發(fā)現(xiàn)距離開(kāi)裂區(qū)域遠(yuǎn)、金含量低，金含量與距開(kāi)裂點(diǎn)的距離成比例關(guān)系，并且QIA和EPMA兩種分析方式（定量圖像分析和電子探針顯微分析）的結(jié)果吻合，如圖6所示［5］。

圖3 焊點(diǎn)反應(yīng)前、時(shí)效前及再分步微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram ofmicrostructure before solder joint reaction，before aging and redistribution

圖4 焊點(diǎn)失效斷裂圖Fig.4 Solder joint failure fracture diagram

圖5 焊點(diǎn)微裂紋示意圖Fig.5 Solder joint failure fracture diagram

圖6 金含量與距微裂紋距離關(guān)系Fig.6 Relationship between gold content and distance from microcrack

4 去金工藝及案例

4.1 去金工藝一般要求

為了防止金脆現(xiàn)象的產(chǎn)生，在焊接前應(yīng)對(duì)鍍金引線(xiàn)必須經(jīng)過(guò)去金處理，即搪錫。搪錫工藝對(duì)于插裝元器件、導(dǎo)線(xiàn)和各種接線(xiàn)端子容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于表面貼裝器件，如：SOIC、SOP、QFP，由于其引線(xiàn)窄而薄，容易變形，進(jìn)行搪錫處理十分困難［6］；對(duì)于鍍金引線(xiàn)應(yīng)使用錫鍋進(jìn)行搪錫時(shí)，第一次應(yīng)在專(zhuān)用鍍金錫鍋里搪錫，如果需要第二次搪錫，搪錫應(yīng)待電子元器件冷卻后再進(jìn)行，第一次搪錫的錫鍋不可用于非鍍金引線(xiàn)搪錫，錫鍋中的錫應(yīng)該經(jīng)常更換。搪錫一般只局限于焊接部位的引線(xiàn)線(xiàn)段；對(duì)于電連接器焊杯搪錫，一般采用電烙鐵搪錫，焊料應(yīng)潤(rùn)濕焊杯整個(gè)內(nèi)側(cè)，至少潤(rùn)濕焊杯75%空間，搪錫次數(shù)最多不得超過(guò)3次。

4.2 去金不徹底失效案例

如果金層厚度大于3μm，金層通過(guò)搪錫就很難完全去除干凈，金表面依次是AuSn，AuSn2和AuSn4，當(dāng)AuSn4形成針狀并出現(xiàn)在界面層，哪怕是正常溫度也會(huì)引起金脆［1］，某單位曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)QFP器件只在引腳底面進(jìn)行除金，而器件引腳兩側(cè)未除金，存在去金不干凈的問(wèn)題，加之該器件引腳共面性不佳，部分引腳與焊盤(pán)間存在間隙，導(dǎo)致回流焊后引腳焊接不良，經(jīng)過(guò)ESS溫循和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后引腳焊點(diǎn)開(kāi)裂，如圖7和圖8所示。

圖7 器件引腳起翹Fig.7 Device pin up

圖8 開(kāi)裂焊點(diǎn)微觀組織圖Fig.8 Cracked jointmicrostructuremap

5 關(guān)于銦基焊料不去金

In-Pb釬料由于比Sn-Pb合金釬料有著更好的抗疲勞性能，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于軍事及航天領(lǐng)域［7］。電極或焊盤(pán)表面的Au鍍層在In-Pb釬料中的溶解度遠(yuǎn)小于在SnPb等Sn基釬料中的溶解度，生成的Auln2層厚度遠(yuǎn)小于Sn基釬料中AuSn4的厚度［8］，且較之AuSn4相，Auln2相理論上具有良好的延展性，所以銦基焊料相較于錫基焊料對(duì)于鍍金引腳焊接并不敏感［9］。

6 結(jié)語(yǔ)

金脆開(kāi)裂需要有應(yīng)力作用才表現(xiàn)出來(lái)，這種應(yīng)力可能是熱失配或者振動(dòng)。LCCC器件陶瓷封裝體與焊料及焊盤(pán)的CTE系數(shù)相差數(shù)倍以上，因此在熱循環(huán)過(guò)程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力很大；QFP器件去金不干凈在振動(dòng)條件下導(dǎo)致焊點(diǎn)開(kāi)裂。目前發(fā)現(xiàn)的金脆問(wèn)題，都是“金脆＋應(yīng)力”導(dǎo)致的，除了熱失配應(yīng)力與振動(dòng)應(yīng)力外，還有接插件（例如1553B）反復(fù)插接導(dǎo)致焊點(diǎn)開(kāi)裂，實(shí)際工程中，絕大部分焊點(diǎn)是要受到應(yīng)力的作用，但如果器件引腳可以提供足夠的應(yīng)力釋放，失效也不會(huì)發(fā)生，因此，金脆問(wèn)題必須綜合考慮系統(tǒng)應(yīng)力釋放、AuSn4合金在焊點(diǎn)中分布以及金含量的問(wèn)題。