表面镀层与无铅锡膏焊接兼容性的研究

摘要：印制电路板组装（PCBA）中，焊点作为电气连接和机械支撑结构，对电子产品的可靠性起着至关重要的作用。以 A、B 2 种锡膏为研究对象，分别与有机可焊性保护层（OSP）、化学镍金（ENIG）表面处理的印制电路板（PCB）进行焊接，对形成的焊点进行焊接

表面镀层与无铅锡膏焊接兼容性的研究

潘浩东蒋少强王剑聂富刚王世堉李伟明何骁

（工业和信息化部电子第五研究所中兴通讯股份有限公司）

摘要

印制电路板组装（PCBA）中，焊点作为电气连接和机械支撑结构，对电子产品的可靠性起着至关重要的作用。以 A、B 2 种锡膏为研究对象，分别与有机可焊性保护层（OSP）、化学镍金（ENIG）表面处理的印制电路板（PCB）进行焊接，对形成的焊点进行焊接质量评估。结果表明锡膏 A 相对于锡膏 B 在焊接后空洞较少，在抵抗冲击方面锡膏 A 要更优，但剪切强度却是锡膏 B 更优；ENiG 表面处理下焊点的抗剪切强度要优于 OSP 表面处理下的焊点，OSP 镀层形成的金属间化合物（IMC）则更为均匀。

0引言

微电子系统不断向着小型化、高密度发展，为通信、航天、航空、汽车等行业的发展提供了有力的支持。如今 6G 通信、智能驾驶、人工智能等技术飞速发展，这些新技术的发展对于电子产品的可靠性提出了更高的要求。

电子产品的可靠性在很大程度上由连接焊点的寿命决定。印制电路板组装（printed circuit board asSEMbly，PCBA）中焊接质量的优劣对于电子产品的使用有着很大的影响。随着欧盟 RoHS无铅标准的实施，无铅锡膏已经广泛应用于电子产品领域。相较于有铅锡膏，无铅锡膏的使用过程更为复杂，有的时候需要使用助焊剂和清洁剂。由于无铅锡膏的高熔点，在焊接过程中会形成更厚的金属间化合物（inter metallic compound，IMC）。IMC 本身具有脆性，会降低焊点的抗断裂能力［1］。同时由于无铅锡膏的润湿性较差，容易导致焊点自校准能力不足，影响焊点的强度。

国内外众多学者对无铅焊点开展大量研究，在 SnAgCu 焊料基体中添加其他微量元素以提高无铅锡膏的各项性能。戚琳［2］研究 Sn3.0Ag0.5Cu- （0~3%） Bi （质量分数）钎料，发现 1%~3%的 Bi 可以显著提高钎料合金的抗拉强度。张亮

等［3］研究在 Sn0.3Ag0.7Cu 中添加微量锑（Sb），可以显著提高无铅钎料的润湿性，并且 Sb 最优含量在 0.6% 左右。杨志［4］将 Bi 元素添加于Sn1.2Ag0.6Cu 钎料中，钎料的熔化温度有一定程度的降低，润湿性得到明显改善。王丽凤等［5］研究了 Sn3.0Ag0.5Cu-xNi 无铅锡膏及焊点的性能，通过对无铅钎料润湿时间和润湿力以及焊点抗剪强度的优化，获取了 Ni 的最佳添加量的范围。

对于无铅锡膏本身进行掺杂改性，在一定程度上会提升焊点的焊接质量和可靠性，然而焊接过程属于一个界面反应，还需要考虑多元合金锡膏和印制电路板（printed circuit board，PCB）表面镀层的兼容性，有些镀层可能会影响焊料的润湿，亦或是形成的合金成分影响焊点的长期可靠性。例如，Sn 基焊料与 Au/Ni 镀层焊接互连时，Au 镀层会与 Sn 反应形成针状 AuSn4弥散相分布在焊点内，AuSn4具有较高的硬度及脆性，它向焊点界面的沉积导致 AuSn4/IMC 界面变脆，减弱焊点剪切力，容易引发焊点产生界面脆性断裂［6］。

本文研究以 2 种不同合金成分的无铅锡膏在有机可焊性保护层（organic solderability preservative， OSP）和化学镍金（electroless nickel/immersion gold，ENIG） 2 种 PCB 表面镀层下的焊接质量，基于研究成果对不同器件基于焊接质量识别合适的锡膏和 PCB 镀层。

1样品制备与试验方法

1.1锡膏材料

本试验选取 2 种锡膏作为研究对象，型号分别以 A、B 表示。2 种锡膏均以 Sn 为主要基体，锡膏 A 在基体成分中添加一定量的 Ag、Cu、Bi 元素；而锡膏 B 在此基础上又添加了 Sb 元素，同时各元素的成分比例也与 A 存在差异。锡膏具体成分见表 1。

1.2 PCB 设计及试验板制备

本试验中正交设计 4 种状态的 PCBA 组件，见表 2。PCB 采用同种叠层设计，版图设计包含 2 款器件，分别是球栅阵列封装（ballg rid arrry，BGA）和双边无引脚封装（dual flat no-lead package，DFN）。

本试验中采用回流焊接，对器件、焊料、PCB 进行焊接组装，两款锡膏采用同样的回流温度设置。

1.3试验方法及表征手段

1.3.1 X 射线检测

采用 X 射线对焊接后的焊点进行无损缺陷检测，观察焊点空洞率，分别对比不同状态试验板组件焊点的空洞率差异。

1.3.2焊点剪切力测试

采用万能机械试验机对焊点进行剪切力测试，剪切速率为 10 mm/s，对比不同状态试验板焊点的抗剪切强度。

1.3.3金相及扫描电子显微镜分析

对 4 种状态焊点进行金相制备，使用金相显微镜和扫描扫描电子显微镜（scanning electronic microscopy，SEM）对焊点微观组织和形貌进行进一步分析，测量 IMC 层的厚度。

使用的仪器主要为金相研磨机和金相显微镜。对所观察位置进行取样，采用环氧树脂固封样品，对样品进行研磨、抛光、蚀刻，然后在金相显微镜下进行观察。

1.3.4机械冲击跌落试验

对 4 种状态样品进行机械冲击跌落试验，冲击量级条件为峰值加速度为 1 500 g，脉宽 0.5 ms，跌落 30 次。

2结果与讨论

2.1焊点空洞率分析

对 4 种状态的试验板组件进行 X 射线检查，对比不同状态样品的空洞率情况。空洞率较大的焊点如图 1 所示。对比不同状态的焊点空洞率见表 3。由表 3 可见，锡膏 A 相对于锡膏 B 其焊点的空洞率稍低。不同表面处理对于焊点空洞率的影响则存在不同的规律：对于 BGA 器件采用 ENIG处理空洞率更低，而对于 DFN 器件则有相反的规律。由于样品本身个体可能存在一定差异，因此表面处理的不同与空洞率的大小可能并不存在强关联规律。

2.2焊点剪切强度分析

将 4 种状态的试验板组件焊点进行焊点剪切分析，对比不同焊料与镀层结合的强度情况。由表 3 可知，锡膏 B 的剪切力数值明显要大于锡膏A，这说明对于同种器件，锡膏 B 的抗剪切能力更为突出，这与文献［7］中所述结论一致，Sb 元素的添加能够有效提升焊点的剪切强度。

对于同种锡膏，ENIG 的焊点剪切强度相较于 OSP 的焊点更优。由于 OSP 焊盘为一层碳氢氧组成的有机物，在焊接过程中易挥发性生成水和气体，在焊接过程中若气体来不及逸出，在焊接界面处易形成气孔，使得界面处的力学性能较弱。

2.3焊点微观组织分析

将 4 种状态的试验板组件焊点进行金相制样，进行微观组织分析，如图 2 所示。

焊点未发现明显的开裂及不润湿等情况，部分焊点存在空洞。对焊点进行 SEM 分析，如图 3所示。OSP 界面生成了扇贝状的 Cu6Sn5，ENIG 界面则生成了类似柱状的（Cu，Ni） 6Sn5；OSP 界面的 IMC 厚度较为均匀，基本保持在 1~4 μm，ENIG 界面生成的 IMC 厚度均匀性则相对较差，局部界面存在柱状（Cu，Ni） 6Sn5，IMC 厚度大于5 μm，薄的地方 IMC 不足 0.5 μm。

2.4焊点抗机械冲击强度分析

对 4 种状态样品进行跌落冲击，如图 4 所示。

由图 4 可见，4 种状态的 BGA 焊点均未发生开裂，而 DFN 均出现开裂。由板面器件布局及跌落安装方式可知， DFN 在跌落过程中距离板中心更近，其应变更大，因此焊点更易发生开裂。

由图 4 （b）可知，跌落冲击导致 DFN 器件的焊点在器件侧发生开裂，随着跌落次数的增加，裂纹逐渐延伸至焊点内部，因此该试验结果与PCB 镀层无明显规律性联系。仔细观察裂纹扩展轨迹还可知裂纹扩展与空洞分布有关联，引脚开裂扩展至焊料内部程度较深，其开裂程度更深或许与其空洞更多更密集有关，这与前述空洞率检测结果相吻合。同时根据文献［5］可知 Bi 含量控制在 3% 以内对于焊点的抗拉强度提升最佳，锡膏 B 中的 Bi 含量偏高，对于抗拉强度的提升偏弱。无论何种原因为主，可知锡膏 A 的抗冲击强度要优于锡膏 B。