2.2 软钎焊原理

2.2.1 软钎焊过程中的各种反应

1.助焊剂与母材的反应

助焊剂与母材的反应一般是指助焊剂中的活性成分去除母材表面的氧化膜。助焊剂中的活性物质一般有有机酸类、无机酸类、无机盐类等。例如，松香的主要成分是松香酸，熔点为74℃。它在170℃呈活性反应，在300℃以上无活性。松香酸和Cu2O反应生成松香酸铜。松香酸在常温下和300℃以上不能和Cu2O起反应。另外，活性越强的助焊剂去除氧化膜的能力越强，但活性强的助焊剂也容易溶蚀母材。

2.助焊剂与钎料的反应

助焊剂中的活性剂在加热时被激活，与焊料表面的SnO起还原反应，去除焊料表面的氧化物。活性剂的活化反应产生激活能，可以减小界面张力，提高浸润性。钎料在生产过程中氧化，产生钎料渣。

3.钎料与母材的反应

前面的两个反应都是为了此反应能够顺利进行。在焊接过程中，对于一个焊缝的形成，钎料与母材之间会经过以下四个阶段： 润湿、扩散、溶解、冶金结合，形成结合层 。

2.2.2 软钎焊过程中的四个步骤

1.润湿

润湿是液体在固体表面漫流的物理现象，是物质固有的性质。润湿能力与液体的性质及固体表面的特性有关。一种液态焊料能在一种固体母材表面润湿则必定具备以下两个条件：

① 液态焊料与母材之间有良好的亲和力，能互相溶解；

② 液态焊料与母材表面清洁，无氧化层和其他污染物。

我们常常用润湿角来表示一种液体在固体上的润湿能力。润湿角是指焊料和母材之间的界面与焊料表面切线之间的夹角。当润湿角θ＜ 90°时，认为该液体在该固体表面能润湿；当润湿角θ＞90°时，认为液体在该固体表面上不润湿，如图2.2.1所示。

液体在固体表面润湿，最终会形成一定的润湿角而不是无限制地向四周漫流是因为另一种力在起作用，这个力就是表面张力。表面张力是在不同相共同存在的体系中，由于相界面分子与体相内分子之间的作用力不同，导致相界面总是趋于最小的现象。表面张力的成因是：液体内部分子受到四周分子的作用力是对称的，作用彼此抵消，合力=0，但是液体表面分子受到液体内分子的引力大于大气分子对它的引力，因此液体表面都有自动缩成最小的趋势，如图2.2.2所示。

润湿力如图2.2.3所示，图中的B _SV 是固体与气体之间的界面张力；C _SL 是固体与液体之间的界面张力；A _LV 是液体与气体之间的界面张力。当固、液、气三相达到平衡时，则有

此时可以将B _SV 看作液体在固体表面漫流的力（润湿力为W _a ），则有

从上述关系式可以看出：润湿角θ越小，润湿力越大。

表面张力与润湿力的方向相反，不利于润湿。 在时间足够，没有外力干扰的情况下，焊点的最终形状是润湿力和表面张力平衡的结果。

表面张力在软钎焊中的影响：当软钎焊料达到熔融温度时，在表面张力的作用下，会产生自定位效应（self alignment）。表面张力使得再流焊工艺对贴装精度要求比较宽松，比较容易实现高度自动化与高速度。同时也正因为“再流动”及“自定位效应”的特点，再流焊工艺对焊盘设计、元器件标准化有更严格的要求。如果表面张力不平衡，焊接后会出现元件位置偏移、吊桥、桥接等焊接缺陷。表面张力是物质的本性，不能消除，但可以改变。

熔融合金的黏度与表面张力是焊料的重要性能。优良的焊料熔融时应具有低的黏度和表面张力，以增加焊料的流动性及被焊金属之间的润湿性。锡铅合金的黏度和表面张力与合金的成分密切相关。锡铅合金配比与表面张力及黏度的关系（280℃测试）如表2.2.1所示。

我们在软钎焊过程中希望获得较低的钎料黏度和表面张力，下面的几种方法有助于降低钎料的表面张力和黏度。

① 提高温度：升温可以降低黏度和表面张力的作用。具体来说，升温可以增加熔融焊料内的分子距离，减小焊料内分子对表面分子的引力。

② 适当的金属合金比例：Sn 的表面张力很大，增加 Pb 可以降低表面张力。例如，Sn63Pb37的表面张力明显减小。

③ 增加活性剂：能有效地降低焊料的表面张力，还可以去掉焊料的表面氧化层。

④ 改善焊接环境：采用氮气保护焊接可以减少高温氧化，提高润湿性。

毛细管现象：在软钎焊过程中，要获得优质的钎焊接头，需要液态钎料能够充分流入两个焊件的缝隙中，这时会遇到所谓的毛细管现象。毛细管现象是液体在狭窄间隙中流动时表现出来的特性。例如，通孔元件在波峰焊、手工焊时，当间隙适当时，毛细管现象能够促进元件孔的“透锡”。又如，再流焊时，毛细管现象能够促进元件焊端底面与PCB焊盘表面之间液态焊料的流动。液态焊料在粗糙的金属表面也存在毛细管现象，有利于液态焊料沿着粗糙凸凹不平的金属表面铺展、润湿，因此毛细管现象可以增加焊接的效果。

将两块平行的金属板或细管插入液体中，金属板内侧与外侧的液面高度将有所不同，如果液体能够润湿金属板，则金属板内侧的液面将高于外侧的液面，反之，金属板内侧的液面将低于外侧的液面。熔融焊料的毛细管现象如图2.2.4所示。

液体在毛细管中上升高度的表达式为

式中，H是毛细管中液柱的高度；σ是液体（焊料）的表面张力；ρ是液体（焊料）的密度；g是重力加速度；R是毛细管半径。

从表达式中可以看出，液体在毛细管中上升的高度与表面张力成正比，与液体的密度成反比，与毛细管直径有关。

2.扩散

金属原子以结晶形式排列，原子间的作用力平衡，保持晶格的形状（如图2.2.5所示）和稳定。当金属与金属接触时，界面上的晶格紊乱导致部分原子从一个晶格点阵移动到另一个晶格点阵。

金属间的扩散有四种主要形式：表面扩散、晶内扩散、晶界扩散和选择扩散。金属间能够形成扩散的条件：一是相互距离足够接近（只有当金属表面清洁，无氧化层和其他杂质时，两块金属的原子间才会发生引力）；二是有一定的温度条件（在一定温度下，金属分子才具有动能）。

3.溶解

母材表面的金属原子会被熔融的液态焊料溶解或溶蚀。相对于扩散，溶解是一个单方向的原子运动。波峰焊的吃铜现象是溶解的很好例证。如图2.2.6所示，同一个位置经过几次波峰焊焊接后，铜焊盘逐渐被熔融的焊料溶解，最终导致断线。这种溶解的现象也叫作“浸析”现象。

4.形成结合层

当达到一定的温度和时间时，由于扩散和溶解的作用，钎料和母材之间会形成一定厚度的结合层，当最后冷却凝固形成焊点后，这层结合层就形成两种金属连接的介质，称之为金属间结合层（Intermetallic Compounds，IMC）。

不同金属间形成的结合层的形态是不同的，而且形成的结合层的厚度和形态受众多因素的影响，其形态比较复杂。但是形成一定厚度和良好形态的金属间结合层，是形成良好焊接的标志，这一点是业界的共识。良好焊接示意图如图2.2.7所示。

2.2.3 软钎焊料

1.关于软钎焊料的基本知识

通过长期的实践总结，人们发现金属材料必须具有以下特点才适合作为软钎焊的钎料：

① 融的焊料必须对被焊金属表面有良好的润湿性，表面张力小、流动性好，有利于焊料均匀分布，且有较好的结合强度；

② 熔点要低；

③ 凝固时间短，有利于焊点成型，便于操作；

④ 焊点外观好，且便于检查；

⑤ 导电性好，并有足够的机械强度；

⑥ 抗蚀性好，应保证产品在高温、低温、潮湿和盐雾等恶劣环境下工作。

在目前的PCBA焊接过程中，所用到的软钎焊料基本以锡为主要成分，称之为锡基焊料。这是因为锡具有储量高、易获得、价格便宜、熔点低、与其他金属的亲和力强等特点。

同时，我们发现具有熔点低、表面张力小、流动性好、凝固时间短的金属，其成分一般都在共晶点或共晶点附近。所谓共晶反应，是指在一定的温度下，一定成分的液体同时结晶出两种或多种一定成分的固相的反应。此时所生成的两种或多种固相机械地混合在一起，形成有固定化学成分的基本组织，被统称为共晶体或共晶合金。这种特定的组成比例成分，称为该合金的共晶点。而这个恒定反应温度称为共晶合金的熔点。

组成成分不在共晶点上的合金称为非共晶合金。根据特定金属成分相对于共晶点的位置，非共晶合金又分为亚共晶合金和过共晶合金两类。非共晶合金没有固定的熔点，而是在液相线和固相线之间有一定的糊状区域。

2.有铅软钎焊料

Sn63Pb37是63%的Sn和37%的Pb组成的二元合金，是人类使用时间最长、认识最深入、应用最广泛的锡基有铅焊料，其使用的时间已经有2000年以上的历史。其成分正好是锡铅合金的共晶成分，具有固定的熔点183℃，是较为理想的钎焊填料。到目前为止，Sn63Pb37依然是综合性能最好的PCBA组装焊料。

如图2.2.8所示为Sn-Pb合金的金相图。从图中可以看出，当在B点，合金中Sn的含量为63%，Pb的含量为37%时，正好为共晶点。此时的合金称为共晶合金，其熔点最低，且有一个固定的熔点183℃。

在Sn63Pb37中，Sn是与母材反应形成冶金结合的主要成分，Pb只作为填充的材料。但Pb在Sn-Pb焊料中起着如下不可或缺的作用：

① 降低熔点；

② 增加延展性；

③ 改善机械性能，提高锡铅合金的抗拉强度和剪切强度；

④ 降低表面张力，有利于焊料在被焊金属表面上的润湿性；

⑤ 抗氧化，增加焊料的抗氧化性能，减少氧化量。

由于标准的Sn63Pb37是共晶合金，在升温过程中，当达到183℃的熔点时会迅速从固态变为液态，当器件不同引脚上的焊料的融化速度不一致时，会造成各引脚上的润湿力不平衡，从而造成墓碑和移位等问题，因此在实际使用中，人们有意加入一定量的其他金属成分，使其偏离共晶点，在融化过程中有一定的糊状区，从而达到润湿力的相对平衡，减少焊接的缺陷。这也就是目前所说的“防墓碑锡膏”。目前比较常用的是加入一定量的Ag的防墓碑锡膏。

3.无铅软钎焊料趋势

传统的Sn63Pb37焊料是迄今为止发现的最适合软钎焊的锡基焊料之一。但是铅是一种严重危害人类健康的重金属元素，它可影响神经、造血、消化、泌尿、生殖和发育、心血管、内分泌、免疫、骨骼等各类器官。更为严重的是，它影响婴幼儿的生长和智力发育，损伤认知功能、神经行为和学习记忆等脑功能，严重者会造成痴呆。随着对铅的危害的逐步认识，人类的自我保护意识也在逐步增强。

自从欧盟的ROTHS法令于2004年8月13日转为欧盟成员国法律（法规），并于2006年7月1日起开始实施以来，焊料无铅化已成为发展趋势和事实。目前，包括中国在内的世界各主要经济体都发布了各自的电子产品环保法规和标准，电子产品无铅化时代已经到来。除了军工、医疗、航天、通信等高可靠性要求较高的产品外，其他产品，特别是玩具、手持式终端和消费类电子产品的无铅化已经成为不可逆转的趋势。

4.主要无铅焊料合金

当前PCBA焊接领域所用的无铅焊料依然以锡基为主。它通过与不同金属的结合，可形成锡锌系、锡铜系、锡银系、锡铋系和锡银铜系等各种不同系列的焊料。在这些焊料中加入不同的微量金属元素，并以不同的比例配比，就形成了各种成分和形式的锡基无铅焊料，如图2.2.9所示。

锡锌系（Sn91Zn9）焊料在日本使用得较为广泛，它是无铅焊料中唯一与锡铅系焊料的共晶熔点相接近的焊料，可以用在耐热性不好的元器件焊接上，并且成本较低。但是在大气中使用时元器件表面会形成很厚的锌氧化膜，因此必须要在氮气下使用或添加能溶解锌氧化膜的强活性焊剂，才能确保焊接质量。而且其润湿性较差，用于波峰焊生产时会出现大量的浮渣。在制成锡膏时，由于锌的反应活性较强，为保证锡膏的存放稳定性和增加它的润湿性，必须添加特殊的成分，采用特殊的处理方法。由于以上特点，可以说此种焊料在短期内不会得到推广。

锡铜系（Sn99.3Cu0.7）焊料在焊点亮度、焊点成型和焊盘浸润等方面和传统锡铅系焊料没有什么区别。而且由于其构成简单，供给性好且成本低，因此大量用于基板的波峰焊、浸渍焊，适合作为松脂心软焊料。它有比锡铅系焊料更好的强度和耐疲劳性，而且在细间距QFP的IC流动焊中无桥连现象，同时也没有无铅焊料专有的针状晶体和气孔，可得到有光泽的焊角。在260℃和245℃的温度下，其焊接实验都很成功。因此，在可靠性要求不高，对成本相对敏感的产品上，锡铜系焊料有一定的应用。

锡银系（Sn96.5Ag3.5）焊料作为锡铅替代品已在电子工业中使用了多年。在过回流焊时，它无须氮气保护；其浸润性和扩散性与锡铅系焊料相近，并且其助焊剂残留外观比锡铅系的残留外观还要好，基本无色透明。它还在合金的电导率、热导率和表面张力等方面与锡铅合金不相上下。锡银铜系焊料将是锡铅系焊料的最佳替代品，它有着良好的物理特性。锡与次要元素银和铜之间的冶金反应是决定应用温度、同化机制及机械性能的主要因素。在这三种元素之间有三种可能的二元共晶反应。在温度动力学上，锡更适合与银或铜反应，来形成Ag3Sn或Cu6Sn5金属间化合物。较硬的Ag3Sn和Cu6Sn5粒子在锡基质的锡银铜三重合金中，可通过建立一个长期的内部应力来有效地强化合金。这些硬粒子也可有效地阻挡疲劳裂纹的蔓延。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子的形成可分隔较细小的锡基质颗粒。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子越细小，越可以有效地分隔锡基质颗粒，结果是得到整体更细小的微组织。这有助于颗粒边界的滑动机制，因此延长了提升温度下的疲劳寿命。

锡银铜系焊料与传统锡铅系（Sn63Pb37）焊料比较，其优势在于：配比为3.0%Ag～4.7%Ag和0.5%Cu～1.7%Cu的合金成分通常具有比Sn63Pb37更好的抗拉强度。这是由于与锡铅结构相比，银在焊点中会形成网状的Ag3Sn合金，将焊点内的成分“锁住”，从而具有较强的强度和硬度。无铅SAC焊球除锡后的图像如图2.2.10所示。

锡银铜系焊料与锡银系焊料（Sn96.5Ag3.5）比较，其优势在于：它的熔化温度为216～217℃，比共晶的Sn96.5Ag3.5大约低4℃。当与Sn96.5Ag3.5比较基本的机械性能时，特定合金成分在强度和疲劳寿命上表现更好。

锡银铜系焊料与锡铜系焊料（Sn99.3Cu0.7）比较，3.0%Ag～4.7%Ag和0.5%Cu～1.7%Cu的锡银铜成分合金具有较好的强度和疲劳特性，但是塑性没有Sn99.3Cu0.7高。

由于具有以上优势，目前三元共晶或近共晶形式的Sn-Ag-Cu焊料在再流焊的无铅焊料中应用得最为广泛。一般认为Sn（3～4）Ag（0.5～0.7）Cu是可接受的范围，其熔点为217℃左右。美国多采用Sn3.9Ag0.6Cu无铅合金，欧洲多采用Sn3.8Ag0.7Cu无铅合金，而日本多采用Sn3.0Ag0.5Cu无铅合金。Sn0.7CuNi焊料合金用于波峰焊，其熔点为227℃。焊料熔点如图2.2.11所示。

手工电烙铁焊大多采用Sn-Cu、Sn-Ag或Sn-Ag-Cu焊料。

5.关于Sn-Ag-Cu系焊料的成分

关于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分，日、美、欧之间存在一些微小的差别，日本的无铅焊料在世界上处于领先地位，他们对无铅焊料有较为深入的研究，他们的研究表明：在Sn-Ag-Cu焊料中，Ag与Sn在221℃形成共晶板状的Ag3Sn合金，当Ag含量超过3.2%以后（出现过共晶成分）板状的Ag3Sn合金会粗大化，粗大的板状Ag3Sn较硬，拉伸强度降低，容易造成疲劳寿命降低，如图2.2.12所示。他们的结论是“在共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移”，因此选择使用Ag含量相对较低的Sn3Ag0.5Cu。

由于含银比较高的焊点与有铅焊点相比硬度比较大，缺乏弹性，在受到外界应力作用下吸收能量的能力弱，容易造成脆性断裂，再加上在成本上有优势，因此最近低银焊料的使用逐渐增多，特别是在消费类电子产品的生产中使用得越来越普遍，包括SAC105、SAC0307等。如表2.2.2所示为传统的6337焊料和无铅SAC387焊料的性能比较。从表中可以看出，无铅焊料的熔点更高，表面张力更大。

锡铜系焊料的特点和应用：随着成本压力的不断增加，目前波峰焊和手工焊采用锡铜系焊料的情况越来越多；锡铜系焊料一般采用0.7%的铜，其熔点是228℃，此焊料的熔点比较高，润湿性也不如SAC的焊料好，但由于具有成本优势，所以在低成本、可靠性要求不高的产品中使用得比较广泛。如图2.2.13所示，在锡铜的二元相图中，Sn-Cu的液相线斜率大（比Sn/Pb大十几倍），液相温度对成分很敏感，因此少量成分变化就会使熔点偏移，造成焊接温度的变化。即使在锡铅系焊料和锡银铜系焊料中也会有类似的情况。在波峰焊接中，锡槽中的焊料在铜超标的情况下，焊料的熔点会显著上升，表面张力变大，流动性变差，直接影响焊接质量。因此，铜的含量是波峰焊焊料成分监控的重要一项。

2.2.4 PCB表面焊盘的处理方式

PCB焊盘作为PCBA焊接中的母材之一，对PCBA软钎焊的影响非常大，熟悉各种常见的PCB焊盘的表面处理方式，理解其在软钎焊中所起的作用对运用软钎焊的原理指导实际的生产非常重要。

目前，绝大多数PCB焊盘是由覆铜基板经过蚀刻、钻孔、层压等工序得到的，因此大部分PCB的表面焊盘是以Cu为底材的。因为Cu在空气中很容易被氧化而失去可焊性，为了保护Cu焊盘，才有了各种不同的焊盘表面处理方式。目前，较为常见的PCB焊盘表面处理方式有热风整平（HASL）、化学镍金（ENIG）、OSP、浸Sn、浸Ag等。各种表面处理方式在成本、工艺性和适用场合等方面各有长处，在使用习惯上也有不同。例如，欧美国家习惯于使用浸Ag的表面处理方式，而在国内其应用就比较少。

热风整平（HASL）工艺俗称喷锡，是指将PCB浸入熔融的焊料中，再通过强热风将表面及孔内的多余焊料吹掉，得到一个光亮的涂层。在有铅制程中，往往采用锡铅合金作为表面涂覆的焊料，而在无铅制程中往往使用纯锡。

化学镍金（ENIG）是指通过化学反应在铜的表面置换钯，再在钯核的基础上化学镀上一层镍磷合金层，然后再通过置换反应在镍的表面镀上一层金。该方式主要用于电路板的表面处理，用来防止电路板表面的铜被氧化或腐蚀，并且用于焊接及应用于接触（如按键、内存条上的金手指等）。

电镀镍金就是在PCB表面导体上先电镀上一层镍，之后再电镀上一层金。镀镍主要是为了防止金和铜之间的扩散。现在的电镀镍金有两类：镀软金（纯金，金表明看起来不亮）和镀硬金（表面平滑坚硬、耐磨，含有钴等其他元素，表面看起来较光亮）。软金主要用于芯片封装时打金线；硬金主要用于非焊接处的电性互连（如金手指）。

有机可焊性保护膜（OSP）是指在洁净的裸铜表面上，以化学的方法长出一层有机皮膜，用于保护铜表面避免在常态环境中被氧化或硫化；这层保护膜同时又必须在后续的焊接高温中能很容易被助焊剂迅速清除，或成为其一部分，以便焊接。有机涂覆工艺简单，成本低廉，使得其在业界特别是在低成本的消费类电子产品上被广泛使用。为了保证可以进行多次回流焊，往往要在铜面上覆盖多层有机涂覆层，目前一般采取在化学槽中添加铜液的方式。涂覆第一层之后，涂覆层吸附铜；接着第二层的有机涂覆分子与铜结合，直至二十甚至上百层的有机涂覆分子集结在铜面。OSP保护层是由有机物构成的，对温、湿度和酸性环境的影响比较敏感，对存储条件和操作暴露时间都有较严格的限制。

浸银工艺介于OSP和化学镍金之间，工艺较简单、快速。它通过置换反应，形成几乎是亚微米级的纯银镀层。即使暴露在热、湿和污染的环境中，它仍能提供很好的电性能和保持良好的可焊性。有时，浸银过程中还包含一些有机物，主要是为了防止银腐蚀和消除银迁移问题。一般很难量测出这一薄层的有机物，分析表明该有机物的质量少于1%。另外，银容易跟硫发生硫化反应，因此用银作为表面镀层时要特别防止接触含硫的环境和物质。由于它是通过置换反应形成的，所以在置换反应过程中有可能形成镀层下的坑洞等不良。

浸锡工艺也采用了置换的原理，使得Sn沉积在底Cu上，但并不与Cu发生反应。以前的PCB经浸锡工艺后易出现锡须，在焊接过程中锡须和锡迁移会带来可靠性问题，因此限制了浸锡工艺的采用。后来在浸锡溶液中加入了有机添加剂，使得锡层结构呈颗粒状结构，克服了之前的问题。只是浸锡板不可以存储太久，对镀层厚度也有一定的要求，否则将会由于过度生产IMC而造成可焊性下降。

在这些表面处理方式中，ENIG、电镀镍金与锡基焊料发生反应，最终形成金属间结合层的是Ni层，而其他的表面处理方式与焊料反应时，形成金属间结合层的是底Cu。各种主要表面处理方式的膜厚和优缺点如表2.2.3所示。

2.2.5 元器件引脚的处理方式

相对于PCB的表面处理，元器件引脚的表面处理方式更加多种多样。当前，元器件的引脚底层材料一般为铜，在铜上通过各种方法镀一层或多层其他金属或合金，以保护底层的铜不被氧化和腐蚀，保证其可焊性。

表2.2.4即以某公司的元器件镀层要求为例，展现了PCBA软钎焊工艺对元器件引脚的要求。

无铅化推行后，很多SnPb镀层被纯锡镀层所取代，但纯锡镀层又带来了锡须等其他问题。锡须是从锡镀层表面自发生长出来的一种细长状的锡结晶，其直径范围为0.3～10μm，通常为l～3μm，长度通常为几微米（曾有报导长度最长达到10mm）。一般认为各种原因产生的镀层中的内应力是锡须生长的原动力，因此在细间距、高可靠性要求的电子产品上对锡须问题要特别重视。锡须现象如图2.2.14所示。

解决或者说抑制锡须生长的方法一般认为有以下几种：

① 在纯锡镀层和基体金属之间引入镀镍层，镀镍层作为阻挡层可阻止锡结晶向纯锡镀层中扩散，从而使锡须不易生成；

② 对纯锡镀层进行退火处理，以消除应力；

③ 在纯锡中加入其他金属成分；

④ 用聚合物等在纯锡镀层表面制作保护层；

⑤ 采用较厚的纯锡镀层、控制电镀工艺条件。

2.2.6 软钎焊机理与金属的晶相显微结构

1.各种母材与焊料形成的结合物

各种合金元素与不同金属电极焊接后在界面形成的金属间结合物如表2.2.5所示。当然，在实际的使用中，很多情况是多种金属共同参加反应，生产的反应物是三元甚至多元的，比表中的情况复杂得多。另外，不同的焊料合金，甚至同一种焊料合金与不同的金属焊接时的界面反应和钎缝组织都不一样，可靠性也不一样。由于电子元器件的品种非常多，特别是元器件焊端的镀层很复杂，可能会存在某些元器件焊端与焊料的失配现象，造成可靠性问题，因此一定要仔细选择并管理元器件。

2.锡基焊料在铜焊盘上焊接的基本反应机理

下面以铜焊盘、Sn63Pb37焊料为例进行说明。当温度达到200℃以上时，Sn开始向Cu表面扩散，而Pb不扩散。初期生成的Sn-Cu合金为Cu6Sn5（η相），其中Cu的质量百分比约为 40%。随着温度升高和时间延长，Cu 原子渗透（溶解）到 Cu6Sn5 中，局部结构转变为 Cu3Sn（ε相），Cu 含量由 40%增加到 66%。当温度继续升高和时间进一步延长，Sn/Pb焊料中的Sn不断向Cu表面扩散，在焊料一侧只留下Pb，形成富Pb层。Cu6Sn5和富Pb层之间的界面结合力非常脆弱，当受到温度、振动等冲击后，就会在焊接界面处发生裂纹，如图2.2.15所示。

3.锡基焊料在镍金焊盘上焊接的基本反应机理

下面以SAC305焊料在ENIG焊盘上焊接为例，说明锡基焊料在镍金焊盘上焊接的反应机理。当焊料融化并在ENIG表面铺展时，表面的金会迅速溶解到焊料中，其中真正与焊料形成合金的是底部的镍层。镍与锡基焊料反应时，首先形成的是Ni3Sn4或（Cu，Ni）3Sn4的合金，这层合金比较薄。当温度增高或时间加长时，由于底层镍的补充，在（Cu，Ni）3Sn4表面会形成块状的（Cu，Ni）6Sn5合金，如图2.2.16所示。

相同条件下，镍锡合金的生长速度比铜锡合金要慢，而且比较稳定，连续性好。因此，通常条件相同的情况下，镍锡合金的厚度要小于铜锡合金。如图2.2.17所示，在同样的回流和老化条件下，镍焊盘上形成的金属间结合物的粒度大小和结合层厚度均明显小于在OSP铜焊盘上的情况。

虽然镍锡合金比较稳定、连续性好，但在实际生产中也存在一些问题。

（1）金脆问题

ENIG表层的Au能与焊料中的Sn形成Au-Sn间共价化合物（AuSn2、AuSn、AuSn4），而且有研究表明，当经过老化或长时间工作后，这些含金的化合物会逐渐聚集到界面附近。当焊点中金的含量超过 3%时会使焊点变脆，进而使得焊点的可靠性下降。如果过多的 Au原子溶解到焊点里，无论是 Sn-Pb 还是 Sn-Ag-Cu，都将引起“金脆”。因此，一定要限定Au层的厚度，用于焊接的Au层厚度应小于或等于1μm（一般控制在0.1～0.3μm）。

（2）P偏析

由于化学镀Ni的工艺问题，ENIG的镍层并不是纯镍，而是含有一定P的Ni-P合金。按P含量的多少分为高P、中P和低P。当P含量高时，镀层的抗腐蚀能力增强，但脆性增加，可焊性下降。目前一般采用P含量为7%～9%的中P镀层。当表层的Ni与焊料中的Sn不断形成合金后，表层会形成一定厚度的富P层。由于P是无机物，这层物质的强度相对比较差，所以如果富P层持续生长，就会对焊点的可靠性造成影响。P偏析现象如图2.2.18所示。

（3）黑盘

黑盘是ENIG表面处理方式独有的缺陷，是由于镍层在镀金加工过程中受到镀金液的攻击，产生氧化导致的。由于金层不连续或不致密，导致底部的镍层与空气相接触造成镍层氧化，也有一定机会导致黑盘问题。黑盘问题的典型特征是断裂面呈深灰色或黑色，剥金后通过显微镜观察，可发现镍层表面有泥状腐蚀，其中以晶界处尤甚，且切片中有楔状“金刺”，如图2.2.19所示。