2017-08-07??摘自：電子制造技術

摘要：無鉛化電子組裝中，由于原材料的變化帶來了一系列工藝的變化，隨之產(chǎn)生許多新的焊接缺陷。本文針對離子遷移進行了產(chǎn)生機理分析，并給出了相應的解決措施。

關鍵詞：無鉛；焊點；缺陷；離子遷移

1.引言

? ? ? 無鉛化制程導入過程中，釬料、PCB焊盤及元件鍍層的無鉛化工藝配合新焊劑使用逐步得到廣泛應用，隨之產(chǎn)生的各種焊接缺陷，比如離子遷移困擾著實際生產(chǎn)的順利進行。本文主要針對離子遷移進行原因分析并給出相應解決措施。

2.離子遷移

? ? ? 印刷電路板等電極間由于吸濕和結露等作用吸附水分后加入電場時，金屬離子從一金屬電極向另一金屬電極移動，析出金屬和化合物的現(xiàn)象稱為離子遷移。離子遷移現(xiàn)象是由溶液和電位等相關的電化學現(xiàn)象引起，特別是在高密度電子產(chǎn)品中，材料與周圍環(huán)境相互影響導致離子遷移發(fā)生。

2.1產(chǎn)生機理

? ? ? 離子遷移根據(jù)其發(fā)生形態(tài)和發(fā)生狀況被分為枝晶生長（Dendrite）和導電陽極細絲（CAF）兩大類。Dendrite是根據(jù)PCB的絕緣表面析出的金屬和其化合物呈樹枝狀而命名（圖1），CAF則是根據(jù)沿著PCB的絕緣基板內部的玻璃纖維所析出的金屬或其化合物呈纖維狀延伸狀態(tài)而命名的（圖2），樹脂基板吸水膨脹，玻璃纖維分離破裂為CAF提供通道，電化學反應析出沉淀導致漏電。

? ? ? 離子遷移發(fā)生過程可分為陽極反應（金屬溶解）、陰極反應（金屬或金屬氧化物析出）和電極間發(fā)生的反應（金屬氧化物析出），其中陽極反應和陰極反應是枝晶生長的發(fā)生機理，而陽極反應、陰極反應和電極間發(fā)生的反應是導電陽極細絲的發(fā)生機理。陽極之所以發(fā)生金屬溶解是因為水的電解反應使陽極附近呈現(xiàn)局部酸性，酸性越強越易形成金屬離子；陰極之所以發(fā)生金屬析出是因為水的吸氧作用使陰極附近出現(xiàn)局部堿性，堿性越強越易發(fā)生金屬析出。

? ? ? ? ? ??圖1 枝晶生長導致短路

圖2 CAF形成導致漏電

2.2影響因素

? ? ? 離子遷移試驗可以用來測定絕緣電阻值和介電特性值。測定著眼于絕緣體中離子載體及泄露電流，由析出物距離判別絕緣性變化以此評價遷移的生存。遷移速度如果過大，會影響電極的正極溶解量和負極析出量，離子遷移試驗不易做到定量測定，一般采用石英晶體微天平（QCM）進行測定，其利用石英晶片的壓電效應，測定由適應晶片表面產(chǎn)生的微小重量變化和諧振頻率變化。電流值的急速增加反映遷移生長和電極短路，諧振頻率的增加反映電極表面有金屬析出。

? ? ? 離子遷移發(fā)生的影響因素較多，表1為主要的加速因子，其中包括電極材料、溫度、濕度及酸度等。無鉛釬料中加入其他成分金屬，不同表面結構狀態(tài)金屬化合物導致位置、穩(wěn)定性及電極電位溶解特性不同，產(chǎn)生電子遷移的原因更加復雜。表2為不同釬料金屬的標準電極電位，表3為無鉛釬料表面組織與特性。由表可以看出：常用來作為電路布線材料Ag和Cu離子遷移發(fā)生速度較快，但在無鉛釬料中可以生成穩(wěn)定的化合物抑制離子遷移，故其耐遷移特性與在Sn中的溶解特性相關；雖然Zn能溶解到Sn中，但因形成了Sn及Zn的純態(tài)膜起到了防止Zn溶解的目的，可以相對抑制離子遷移的發(fā)生。總體上無鉛釬料比有鉛釬料耐離子遷移性高，但其穩(wěn)定性受其特征的影響及電壓、焊劑等影響有可能喪失。

表1離子遷移發(fā)生的加速因素

表2 釬料金屬的標準電極電位

表3 無鉛釬料表面組織與特性

? ? ?在酸性溶液中，陽極鈍化時，SnPb合金的維鈍電流高于SnAg系釬料電極的維鈍電流，且具有較高的臨界電流和臨界電位；陰極極化時，SnAg系釬料合金具有比SnPb合金高的超電勢。通過對SnZn、SnAg、SnCu、SnBi及SnPb的比較發(fā)現(xiàn)，發(fā)生遷移的趨勢依次為SnZn>SnAg>SnCu>SnBi>SnPb。另外，含Bi釬料較SnPb釬料具有較低的超電勢，電化學反應的傾向較大，因而不宜替代傳統(tǒng)的SnPb合金用于較大電流、較高電壓和潮濕環(huán)境中元件的焊接。圖3為水滴法測試無鉛釬料離子遷移試驗，從絕緣電阻變化可看出，發(fā)生遷移的趨勢依次為Sn3.5Ag>Sn3.0Ag0.5Cu>Sn37Pb>Sn2Ag0.75Cu3Bi，含Ag量越高越易發(fā)生遷移。

? ? ? ? ? ?圖3 去離子水滴法測試的絕緣電阻變化

? ? ? 在實際PCB電路中，由于各導線之間均有電位差異，就形成陰極和陽極。在無鉛工藝中，由于焊接溫度較高，加之非揮發(fā)水溶性性焊劑和灰塵導電物等具有一定的活性，在潮濕的環(huán)境中水和焊劑殘余就形成電解質，導線上金屬就在電解質中變成離子進行遷移并形成枝狀晶，同時也很容易使板材發(fā)生CAF，導致漏電、短路產(chǎn)品失效。目前日本已出現(xiàn)一種Anti-CAF的板材。

? ? ? 有鉛釬料中一般發(fā)生Pb析出，無鉛釬料中一般發(fā)生Sn析出，如果出現(xiàn)潤濕不完全，有裸露的Cu焊盤，則會發(fā)生如圖4所示的Cu析出，Cu離子遷移發(fā)生機理見圖5。

圖4 釬料中枝晶析出圖片

? ? ? ? ? ? ?圖5 Cu離子遷移發(fā)生機理

? ? ? 各種釬料的離子遷移析出形態(tài)具有分形維數(shù)特性，分形維數(shù)在1.3～1.7間，可以認為是分形維數(shù)圖形。圖6為Sn3.5Ag、Sn9Zn和Sn37Pb的分形維數(shù)圖形，顯示出近似直線型發(fā)展和呈放射狀發(fā)展兩種，分形維數(shù)分別為1.3、1.4和1.7，從分形維數(shù)來看，無鉛釬料的耐離子遷移性高。影響析出形態(tài)的因素很多，如不均勻的電流分布和反應物的濃度，這些對金屬析出的結晶核的產(chǎn)生速度有影響。一般來說結晶核產(chǎn)生速度極快而其生長慢，則成為微細結晶。

? ? ? 值得注意的是銀及其合金，因其良良好的導電性、傳熱性和可焊性而被廣泛用于電子電氣裝置中，銀一般被用在其它金屬表面做防護層、玻璃和陶瓷上的金屬化膜、聚合物材料中的導電性填充物。銀在適宜的環(huán)境中就會從它的初始位置進行離子移動，并在其相鄰區(qū)域再沉積，通過“表面遷移”和“枝狀遷移”在絕緣體表面和內部形成枝狀晶等，使受影響的絕緣體電阻率、面電阻率、介質強度和飛弧電阻會不斷減小，**終嚴重失效。

?圖6 無鉛釬料和有鉛釬料分形維數(shù)圖形

? ? ? 銀遷移速率取決于遷移誘發(fā)條件的程度，并隨金屬類型而變化。發(fā)生遷移的先決條件是高濕度、持續(xù)加電壓和一個與銀接觸、具有吸濕特性的絕緣體。銀遷移可以通過試驗進行測試：把濾紙加在相距1.27cm的銀片電極之間，極間加上48V直流電壓，保持環(huán)境濕度在98RH%，經(jīng)過一段時間后，就會發(fā)現(xiàn)銀通過并沿濾紙表面進行遷移。

? ? ? 在無鉛焊接過程中為了防止Ag離子遷移，一般采取以下措施：

? ? ? 盡量不使用銀合金焊料；

? ? ? 避免給含銀焊料接觸的電絕緣體施加濕度效應；

? ? ? 盡量不使用吸濕性強、纖維狀的絕緣體材料為封裝、載體的元件等物料；

? ? ? 多孔絕緣體需經(jīng)樹脂處理以減少吸濕作用；

? ? ? 材料表面浸漬防水劑，形成疏水膜，減少絕緣體表面的潤濕度，減少吸水性。

3.結論

? ? ? 無鉛焊接工藝的應用致使組裝材料、設備和工藝等發(fā)生了許多變化，相應的也出現(xiàn)了許多新的產(chǎn)品質量問題。只要通過科學合理的方法去解決，充分認識無鉛釬料特性，更新**加工概念，發(fā)現(xiàn)問題，認識問題，進行探究與分析，找出解決之道，防止問題與未然，實現(xiàn)高成品率，減少和消除各種焊接缺陷問題，才是降低成本的**根基。

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