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。
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。
*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*终成为*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*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。
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，*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。 |
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