2.3 焊点可靠性分析

2.3.1 焊点可靠性概述

焊点可靠性是一个比较大的话题，从本质上讲就是焊点作为一个系统，在承受外界的各种影响时保持其功能和性能的能力。

由于组成焊点的是一个系统，如图2.3.1所示，所以焊盘附着力、焊盘和母材镀层的强度，合金层的强度，钎料本身的强度等都会对焊点的强度产生影响。另外，从所承受的外界影响来看，机械应力、热应力、热应力导致的机械应力，甚至不同速度、时间、频率的应力都会对焊点可靠性产生不同的影响。

这里只从金属性能的角度谈焊点的可靠性。从金属的性能角度来看，焊缝的金相组织、金属间合金层（金属间结合层）的质量与厚度及焊接材料的质量对焊点的可靠性影响较大。下面将逐一讨论。

2.3.2 焊缝的金相组织

焊缝的金相组织有以下几种形态。

1.固溶体组织

所谓固溶体（solid solution）是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相。固溶体又分为置换固溶体和间隙固溶体。固溶体的强度总是比组成它的纯组元高，且随溶质原子浓度的增加，其强度也增加。因此，固溶体组织具有良好的强度和塑性，对焊点性能有利。

2.共晶体焊缝组织

共晶指一定成分的合金液体冷却时，同时结晶出一定成分的两个固相。合金系中的某一定化学成分的合金在一定温度下，同时从液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相的过程称为共晶转变。通过共晶转变形成的按一定比例，同时结晶出来的A晶体和B晶体的机械混合物称为共晶体。一方面，钎料本身含有大量的共晶体组织；另一方面，钎料与固体母材能形成共晶体。最常见的共晶合金就是Sn63Pb37焊料。

3.金属间化合物钎缝组织

金属间化合物是指由两个或更多的金属组元或类金属组元按比例组成的具有金属基本特性和不同于其组元的长程有序晶体结构的化合物。焊点冷凝时会在界面析出金属间化合物。除了溶解、扩散形成金属间化合物外，也可能由母材和钎料直接反应生成金属间化合物。

钎缝中的反应是非平衡的，几种反应常常会在钎缝中同时发生。钎缝主要由固溶体、共晶体和金属间化合物的混合物组成。钎缝中过多的化合物对焊点的性能是不利的。金属间化合物比较脆，与基板材料、焊盘、元器件焊端之间的热膨胀系数差别很大，容易产生裂纹造成焊点失效。即使相同的两种金属组成的不同的金属间化合物表现出来的性能也有较大差异，如铜与锡形成的两种金属间化合物的性能差异就非常大。

如表2.3.1所示，铜与锡形成的Cu6Sn5相与Cu3Sn相，在形状、颜色、形成条件和理性质上都有较大的差异。

2.3.3 金属间结合层的厚度与强度的关系

前面讲过，形成一定厚度的合金层是焊接良好的本质标志。因此，焊接后必须生成结合层，否则结合就没有强度。此结合层由共晶体、固溶体、金属间化合物的混合物组成。但金属间结合层不能太厚，因为金属间化合物比较脆，与基板材料、焊盘、元器件焊端之间的热膨胀系数差别很大，容易产生龟裂造成焊点失效。以铜锡合金为例，金属间合金层厚度与抗拉强度的关系如图2.3.2所示。

从图2.3.2中可以看出，等合金层达到一定厚度后，开始体现出较高的抗拉强度。随着合金层的逐步增厚，其抗拉强度呈下降趋势。

合金层厚度为多少最合适，目前业界没有统一的认识。合金层的厚度受到焊接温度、加热次数的影响，同时还受到后续使用过程中温度环境的影响。

如图2.3.3所示为铜焊盘和锡形成的合金层在不同的回流次数下的形态变化。由图可看出，随着回流次数的增加，铜锡合金逐步增厚，晶粒变大。

焊料中的一些微量金属成分也会对合金层的厚度产生显著影响。如图2.3.4所示，当焊料中添加0.03%的Ni后，合金层的生长远不如没有添加时明显。如果在焊料中加入Co，与此情形有相似之处。

金属间合金层的厚度和质量一般与以下几个因素有关系：

① 焊料的合金成分和氧化程度（要求焊膏的合金成分尽量达到共晶或近共晶；含氧量应小于0.5%，最好控制在80ppm以下）；

② 助焊剂质量（净化表面，提高浸润性）；

③ 被焊接金属表面的氧化程度（只有在净化表面，才能发生化学扩散反应）；

④ 焊接温度和焊接时间。

2.3.4 焊料的组织与性质

1.焊料组织概述

与金属间化合物相比，焊料组织的硬度较低，强度较弱，但这有利于整个焊点系统吸收外来的能量，减少脆性断裂的概率。发生在焊料内部的断裂往往是慢速状态下形成的韧性断裂。当到了一定温度时，焊料组织将产生蠕变现象，从而影响焊点的长期可靠性。美国人HOW ARD和H.MANK给出了下面的焊点工作温度上限的经验公式：

式中，T _max 为最高工作温度；T _sol 为焊点金属的熔点；T _room 为环境温度。

从这个公式中可以看出，在室温为25℃的条件下，Sn63Pb37合金所形成的焊点，其最高工作温度为130℃左右；而SAC305合金所形成的焊点，其允许的最高工作温度为153℃左右。

2.有铅焊料的显微结构

如图2.3.5所示为典型的有铅焊点内部的显微结构，其中深色花纹部分为富铅区，其他部分为富锡区。

3.无铅焊料的结构

无铅焊接过程、原理与Sn63Pb37基本上是一样的。钎料中参与形成合金层的主要元素依然是锡。与铜母材形成合金时，金属间结合层的主要成分还是Cu6Sn5和Cu3Sn。其主要区别是由于合金成分和助焊剂成分改变了，因此焊接温度、生成的金属间结合层及其结构、强度、可靠性也不同了。有铅焊接时Pb是不扩散的，Pb在焊缝中只起到填充作用。另外，当无铅焊料中Sn的含量达到95%以上时，焊料的氧化更加明显。

当然，不能忽视，次要元素也会产生一定的作用。下面列举了Sn-Ag-Cu三个元素之间的三种可能的二元共晶反应：

① Ag与Sn在221℃形成锡基质相位的共晶结构和 ε金属间的化合相位（Ag3Sn）；

② Cu与Sn在227℃形成锡基质相位的共晶结构和η金属间的化合相位（Cu6Sn5）；

③ Ag与Cu在779℃形成富Agα相和富Cuα相共晶合金。

但在Sn-Ag-Cu的三种合金固化温度的测量研究中没有发现779℃相位转变。在温度动力学上这样解释：该温度更适合于Ag或Cu与Sn反应，生成Ag3Sn和Cu6Sn5，如图2.3.6所示。

锡、银、铜三元合金的相图如图2.3.7所示。液态时的合金成分是Sn、Cu6Sn5和Ag3Sn，在理想条件下（冷却速度极度缓慢，各部分没有温度差），在平衡状态凝固的结晶是很规则的形状。但在实际生产条件下形成的是非平衡状态凝固的结晶。在非平衡状态下，Sn先结晶，以枝晶状（树状）出现，中间夹杂Cu6Sn5和Ag3Sn，如图2.3.8所示。

也正是由于这种凝固特性，导致SnAgCu焊点的外观看上去比较粗糙。

当冷却速率较小时，Ag3Sn合金将部分呈现出板块状，这些板块状合金的特点是从外侧或焊盘上向焊球内侧生长，而且冷却速率越小，板块状合金发育越充分，极端时甚至会贯穿整个焊点，如图2.3.9所示。这种板块状合金与其他周围组织的结合力较弱，当受到外界应力时容易沿结合面产生滑移，从而影响焊点的可靠性。