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国营红华仪器厂 王笃诚 史孟华 (西安710032)
摘 要 较为深入地叙述了SMT焊点质量金相检测的基础理论,及质量金相检测的方法与要求;提出了SMT焊点整体质量的概念与质量金相检测的主要程序;并列举了一些金相检测的实例。对于SMT生产与SMT工艺研究有重要的实用价值。
关键词 SMT焊点 基础理论 整体质量 检测方法 检测实例
随 着SMT在电子设备生产中的广泛应用,使得电子设备特别是高精度电子仪器,在小型化、高集成化、高可靠化的发展方面产生了一次较大的飞跃。SMT焊点的整 体质量与可靠性对于电子设备整机高可靠性指标的实现,是至关重要,举足轻重的;特别是在焊接诸如QFP这类大规模集成电路中,所形成的SMT焊点非常纤 细、薄俏时,则更是如此。因此SMT焊点整体质量(特别是内在质量)的检测,就必然成为SMT生产与工艺研究中极为重要的一环。目前SMT焊点整体质量的 检测方法,主要有红外法、激光法、金相法、外观法等,它们均具有各自的优点,同时也有其局限性。SMT焊点质量的金相检测法能够直观、准确、高分辨率地显 示焊点内部的显微组织形貌与结构,鉴别缺陷焊点的相组织、相化学成分,并能通过金相摄影,如实地记录SMT焊点内部的组织与结构。因此它能客观准确地评价 SMT焊点的内在质量,是目前SMT焊点质量检测的较好方法之一。
1 SMT焊点质量金相检测的基础理论
1.1 SMT焊点内部的显微组织状况
SMT 装联焊接中,在规定的焊接温度下,Pb-Sn焊料被熔化,通过润湿作用聚集在铜母材(SMD焊脚或PCB铜箔焊盘)上;这时母材中铜原子与焊料中锡原子的 扩散激活能大幅度提高,铜原子向焊料进行激烈的反应扩散,并与锡原子生成多种金属间化合物,从而在母材与焊料的界面处构成一定厚度的合金层,形成焊接强度 的主干。随焊接温度不同,反应扩散的形式不同,生成的界面合金层的相组织与其厚度亦不同;在通常生产条件下,SMT焊接温度为240℃～250℃,此时反 应扩散主要以晶界扩散的形式进行,生成的合金层是金属间化合物Cu3Sn(E相)和Cu6Sn5(G相)构成的层状典型结构,靠近母材一侧的是E相,而靠 近焊料一侧的G相。其总厚度约1Lm～5Lm。
同时,在靠近界面合金层的焊料一侧,由于铜原子持续扩散进入,与焊料中的锡原子不断生成金 属间化合物,而消耗了一定量的锡原子;因此在靠近合金层的焊料中,锡元素与铅元素的比例将发生变化,铅元素含量则相应增加,这样就形成了合金层焊料一侧的 富铅合金区。正常情况下其厚度应为10Lm～13Lm。
另外,一定的焊接条件下,通常是焊接温度较高时,所形成的SMT焊点,在焊接后的 常温放置中,由于SMT焊点特有的后置反应作用,其界面合金层中化合物有一定幅度的增长,同时原有的富铅合金区相应持续地在Sn-Pb焊料中进行扩展,形 成了新的扩展富铅区,促成了富铅层总厚度的增加。
1.2 SMT焊点显微组织与焊接质量的关系
1.2.1 SMT焊点的整体质量
SMT 焊点的整体质量是一个特定的概念。SMT焊点的整体质量应特指外观与内在质量。内在质量包括焊接强度,显微组织状况与合金层相结构,以及焊点内部缺陷(如 相结构缺损、虚焊、空洞、疏松等);外观质量则包括焊点外观、形状、光泽及各种外形缺陷(如桥接、拉尖、锡珠等)。焊接的内在质量决定了SMT焊点的结构 性与可靠性,是整体质量的主干与核心,而外观质量不但决定其结构性,而且还决定其工艺性。因此对一个SMT焊点,首先要保证其内在质量的合格性,其次才是 外观质量,而且内在质量的合格与否,还对SMT焊点的整体质量具有否决性。以往的焊接工艺研究中,对焊接内在质量未给予足够的重视,期望并建议在今后的研 究与生产中,优先考虑内在质量,实施内在质量与外观质量并重,特别是内在质量具有否决性的原则,以促进SMT焊接工艺研究与生产的稳步飞速发展。
1.2.2 焊接显微组织状况对焊接强度的影响
SMT 焊点的显微组织状况对其内在质量,特别是焊接强度具有举足轻重的决定性作用。焊接中形成的具有合格相结构的合金层,是决定SMT焊点内在质量的主干。在典 型的合金层中,E相牢固地平伏于母材上,它具有金属间电子化合物结构,结合紧密,质地细致;G相不仅与焊料有电子化合物式的紧密结合,而且呈楔形钉状嵌入 Pb-Sn合金中,起到了良好的机械“钉扎”作用,并且与E相有良好的过渡性结合;因此这样的E+G相典型合金层结构就使得母材与焊料具有紧密地、非常牢 固地联结,从而大大地提高了焊接强度。
试验证明,不仅合金层的相结构对焊接强度有决定性作用,而且焊点的组织的致密度、分布状况以及合金 层的厚度对焊接强度也有非常重要的影响;合金层太薄、纤细、分布断续、不均匀,或合金层过厚、组织粗大、聚集疏松、微孔等均会导致焊接强度的下降。合金层 厚度对焊接强度的影响见图1。
图1 合金层厚度对焊接强度的影响 图2 焊接温度对富铅层厚度的影响
1.2.3 SMT焊点的后置反应对焊接强度的影响
SMT焊点的后置反应现象是一个不容忽视的重要问题,它对SMT焊点的内在质量有着潜在的危害性。
一 定焊接条件下(特别是焊接温度高于270℃时),所形成的SMT焊点在焊接后的长期常温放置中,其合金层中的金属化合物会呈现低速生长倾向,焊接中的化学 变化也会以低速持续进行,从而导致合金层略微增厚富铅合金区较快扩展;焊接温度对富铅层厚度的影响如图2所示。由于高温焊接使合金层中的化合物长大聚集, 富铅脆性化合物生成,进而合金层粗化,必然会降低合金层的结合强度;而且扩展后富铅区又容易氧化;这就造成合金层与邻近富铅区的双重弱化,从而导致随化合 物生长与富铅层扩展,SMT焊点强度下降。试验结果表明,在260℃以上温度焊接,试样放置96天后,其焊接强度下降3%～8%。焊接温度对焊接强度的影 响如图3所示。正常情况下,优良焊点的富铅层厚度<13Lm。正因为后置反应现象对于SMT焊点的内在质量有较大的负面影响,特别是对焊接诸如 QFP这类密集焊脚集成电路时所形成的纤小细薄焊点,则更具有危害性。因此,将SMT焊点显微组织中富铅区的组织结构状况,作为质量检测项目之一,是十分 必要的。
2 SMT焊点质量金相检测方法与要求
2.1 SMT焊点质量金相检测的主要内容及指标
SMT焊点质量金相检测的主要目标是SMT焊点的内在质量,其内容包括三部分,即界面处的显微组织状况;富铅合金区组织状况;与焊点内缺陷组织状况。
图3 焊接温度对焊接强度的影响
2.1.1 检测界面处显微组织状况是焊点金相检测的重要内容。主要检测合金层的相结构及相形貌,合金层的分布状况,以及合金层的厚度。通常情况下,应用普通光学金 相方法,即可分析焊点界面处的全部显微组织状况。优良的SMT焊点其合金层应具有E+G相典型结构,相结构明晰可辨,各相形状规范,E→G相过渡平缓紧 凑,E相与G相两相厚度比例约为1∶215,合金层总厚度应在112Lm～315Lm之间;整个合金层在界面上的分布应连续、细致、无豁断及较大的起伏。 必要的情况下,需要更进一步细致定量地分析合金层时,可应用扫描电子显微镜(SEM)加微区能谱分析仪或电子探针、X射线显微分析仪(EPMA),对合金 层的相结构,相比例,相成分进行精确地分析研究。
2.1.2 检测富铅合金区的组织状况要结合焊接工艺履历进行,特别是对焊接中存在的跑 温嫌疑时,更要着重检测。检测的要点是观察界面处焊料一侧中,是否有枝晶状或冰花状的黑色富铅夹杂物,以及测量富铅层的厚度。优良的SMT焊点其界面处合 金层与焊料间,只有少许黑色的富铅合金区域,而不应有明显的枝晶状黑色夹杂物或过多的游离态铅,富铅层厚度也不应过厚,一般应<13Lm。而在焊接 中怀疑有跑温情况时,更应仔细检查富铅区的相结构与厚度,必要时应采用扫描电镜加微区能谱分析方法,分析富铅区的相成分及铅含量,以精确判断焊点的后置反 应危害程度。
2.1.3 SMT焊接内部的缺陷组织,主要指合金层的相结构缺损(包括缺少G相及相形状不规则);合金层的分布残缺(断续分布及分布起伏大等);过热氧化层存在;组 织粗大,聚集疏松,以及气孔等。检测缺陷组织状况同样要结合焊接工艺履历进行;缺陷组织的存在,必然会反映出焊接中工艺执行情况的失误与不当,并且还会从 各种缺陷组织的特点,分析出失误的种类以及工艺参数选择不当的具体情况;例如若出现合金层相结构不全,分布断续的缺陷组织,即显示可能焊接温度较低或焊接 时间偏短;而组织氧化严重,粗大疏松则显示焊接过热或跑温等生产故障。因此,SMT焊点的缺陷组织检测,对于严密监控,分析生产质量和严格工艺纪律,以及 进行焊点失效分析与工艺研究,具有重要的意义。
由于SMT焊点金相检测,在通常的生产情况下,通过普通光学金相方法即可较为准确地进行显示与分析;只有在特别必要的情况下,才采用特殊金相方法(SEM分析等)进行更进一步地分析;因此本文以下着重介绍SMT焊点质量的普通光学金相检测方法。
2.2 SMT焊点质量金相检测程序
由于各生产单位SMT的生产流程、质量控制、质量检测的具体情况不尽相同,本文仅提出SMT焊点质量金相检测控制程序的要点,谨供参考。
2.2.1 把SMT焊点整体质量概念与SMT焊点质量金相检测,纳入SMT整机生产的质量控制与保证体系,作为主要的质量检测环节,并制定相应的检测制度。
2.2.2 把SMT生产中焊接工艺的执行、监控、记录等工作,纳入系列化、制度化的管理过程。从严把关,建立生产工艺履历与工艺记录档案。
2.2.3 质量金相检测在SMT焊接生产中,应例行定时、定期进行。也可按照批次生产的需要具体安排;一般情况下,建议每焊接(150～200)台次,即进行一次例行检查。
2.2.4 进行SMT焊点质量金相检测时,应附有该生产批次的工艺履历、工序能力控制图表等,以求详实地反映生产、工艺情况与进行准确地检测。
2.2.5 建立SMT批次生产金相检测控制图,使焊接生产严格地处于有序受控状态;例如使用X—R5控制图与P控制图等。并把SMT金相检测控制图要素,纳入整个生产质量控制与保证体系的运转系列中。
2.2.6 建立批次生产金相检测档案,以利于生产质量控制与工艺研究的深入发展。
2.3 SMT焊点试样的制备
2.3.1 试样的制作
SMT 焊点试样采集与制作,应严格与批次生产同步进行,以如实地反映批次生产质量与焊接工艺执行情况。每批次制作三组试样,分别在批次生产的初期、中期、后期各 采制一组;每组一般为(3～5)个试样;试样的焊接应与产品PCB的焊接同时进行。试样的大小、形状一般可根据PCB上较薄弱的焊点模拟制作;也可根据具 体生产情况,制定试样的标准与规程,以进行标准的制样与检测。制样的原则是,尽可能地模拟并反映PCB焊接中,焊点形成的实际物理化学变化过程。
2.3.2 试样的镶嵌
由 于SMT焊接试样一般都比较细小、薄弱,因此必须对试样进行镶嵌,以利于磨制、抛光工序的进行,以及试样边角处组织的完整显示;只有这样,才能制备成合格 的金相试样。SMT焊接试样一般采用塑料镶嵌法;所采用的塑料有两类,第一类为环氧树脂嵌料(6101#85%,乙二胺15%,另加少许 (200～300)目氧化铝粉),模嵌后常温固化;另一类为热塑性塑料(聚乙烯聚合树脂,醋酸、纤维素脂等),热熔后模嵌,常温固化,但其热熔模嵌温度必 须低于150℃,以保证焊接试样组织的真实性。镶嵌中,试样的横截面应朝上,并与嵌料面平齐,以利于磨制。
2.3.3 试样的磨制与抛光
SMT 焊接试样的横截面是由三部分组成,即母材铜、合金层与焊料,而这三部分的硬度则不尽相同;在磨制与抛光中,操作稍有不慎,就会在各部分的结合处造成参差不 平的状况;即使存在非常微小的不平度,也会在显微镜下产生显著的衬度差,使我们不能客观地观察到结合部的显微组织全貌,而无法进行焊点金相检测。因此对 SMT焊接试样的磨制与抛光,就必须特别讲究,采用实际有效地方法。根据笔者的实践经验,运用如下方法效果比较好,供参考。首先对试样进行粗磨,然后在平 整的玻璃板上,用特细金相砂纸,手工对试样进行轻磨;注意一定要单方向地磨削,并用放大镜观察磨面无明显磨痕为止。将磨好的试样在抛光机上进行粗抛,采用 Cr2O3抛光粉与细吸料抛光帆布,并加煤油润滑。由于试样结合部三部分各自的电极电位有较大的差异,采用电解抛光或化学抛光的效果不甚理想,而且会造成 微小的不平与组织错觉。笔者采用手工精抛的方法,收到较好的效果;即在平整板上铺覆金丝绒布,用400目以上极细MgO抛光粉或牙膏,加清水作抛光料,手 工单方向地对试样进行精抛,注意用力均匀,压力适中;也可分别用以上两种精抛光料,依次轮番精抛;精抛中,不断在低倍光镜下观察抛面的平整性,直到被抛光 镜面无衬度差为止。
2.3.4 试样的浸蚀
化学浸蚀工序是SMT焊接试样制备工作中非常重要的一环,它是能否充分正确地 显示,准确无误地分解焊点显微组织的关键所在。对于两相或多相结合,其化学浸蚀实质上是一个电化学腐蚀的过程。在浸蚀液的作用下,试样表面具有高负电位的 相被迅速溶解,形成蚀坑;而具有高正电位的相受到保护,仍保持其光亮表面;这样在试样表层就形成了一幅由无数平台与凹坑组成的有复杂反差与衬度的组织图 案。浸蚀剂的正确选择是极为重要的课题,只有合适的试剂,才能浸蚀出真实、明晰和具有一定反差与衬度的组织图像;反之则易出现模糊、不真实或显露不充分。 正确选择浸蚀剂的一般原则是:根据试样的合金种类、化学成分,以及结合合金相图分析出可能会出现的相组织及其电极电位,寻找合理的具有选择性浸蚀性能的化 学试剂;同时结合试验,适当地调整试剂的成分与配比。SMT焊接试样的浸蚀工作是比较复杂与讲究的,这是由于SMT试样的相结构具有多相性,而且各相的电 极电位又有较大的差异性所决定的。笔者采用的浸蚀方法是:在显示SMT焊点合金层的显微组织时,采用3%硝酸酒精溶液(冷蚀)与重铬酸钾硫酸溶液(热蚀) 双重浸蚀的方法;而在显示富铅合金区组织时,采用另加3%硝酸银溶液轻度揩蚀的方法。应用上述方法能较好地显示出SMT焊点的内部显微组织及后置反应引起 的组织变化情况。
2.4 金相观察与金相摄影
SMT焊点试样的金相观察,一般在立式或卧式金相显微镜下均可进行,但物镜 最好选用平面消色差物镜或平面复消色差物镜,以得到平坦清晰的映像;目镜采用补偿目镜与10×测微目镜,总放大倍数以450～500为宜。金相观察时,采 用明视场照明方式,这样有利于分辨多相组织及金相摄影。SMT焊接试样金相观察中,视场应选择在焊接界面处,并特别要注意选择在焊料——合金层——铜母材 三层的衬度差最小,黑白反差最大的映像处,以得到最为平坦、清晰的界面结合部的组织图像;同时也要兼顾整个试样中,相组织结构的代表性,从而取得试样中最 有组织代表性的清晰的显微组织影像。
金相摄影是记录SMT焊点显微组织,进行质量分析与工艺研究的重要手段,因此在摄影时,务必客观、准 确、认真、详实。摄影底片一般选用感光速度较快,分辨率高的GB21°全色软片为宜,也可针对实际情况,综合考虑摄影底片的感光速度、分辨率、反差性与伸 缩性等诸因素灵活选用。摄影时,应调整光源使视场照明光亮均匀;使用黄绿色滤色片,以消除残余色差;适当张大孔径光栏,使照度明亮,聚焦最好,但不宜张开 太大,以免产生像差。光圈以f(3～5)为宜;曝光时间以实际映像照度酌定;通常采用伸缩性好的全色软片,能比较容易地掌握曝光时间,减少忌讳的曝光不足 的倾向,取得较好摄影效果。
进行SMT焊点金相试样的制备,金相观察与摄影工作,虽然有一定的技术难度,需要具备相应的专业知识与实践经验,但只要我们充分理解相关的基础知识,较熟练地掌握基本要领,经过认真仔细地多次实践,是不难掌握这门技术工作的
3 SMT焊点质量金相检测实例
下面是一些SMT焊点质量金相检测的实例,以及简要的说明,供参考。
3.1 正常SMT焊点,图4示出正常SMT焊点的显微组织。照片显示合金层具有E+G相的典型结构,相结构明晰可辨,相形态表现苍劲厚实;两相过渡均匀平缓; 合金层分布连续、细致,无割断及较大起伏,平均厚度2Lm～3Lm;在紧接合金层上方焊料一例,清楚显示有8Lm～10Lm的黑色富铅区;整个组织中无孔 洞、无疏松;相结构、合金层与富铅层厚度均符合要求。表明这是一个优良的SMT焊点,具有良好的焊接强度。
图4 正常焊点显微组织金相照片450×,焊接温度250℃,
重铬酸钾硫酸溶液与4%硝酸酒精溶液双重浸蚀(以下照片均同)
3.2 欠温SMT焊点。该SMT焊点的焊接温度为215℃～220℃,焊接时间也稍欠,其显微组织如图5(a)所示。可以看到其界面合金产物很少,处于刚刚萌 生阶段;合金层纤小薄弱,分布断续;相结构不能分辨,厚度<1Lm。图5(b)为界面处高倍显微照片,显示界面处焊料与母材间非常纤细的点状合金产 物,并无成形的相组织,以及有部分的夹杂物。这种焊点实质上是一种平面粘附型的结合,表现为虚焊;其强度很低,电导性差。
(a)450× (b)1000×
图5 欠温SMT焊点显微组织金相照片
3.3 过温SMT焊点,图6是一个生产中跑温(约300℃～320℃)的缺陷焊点的显微组织照片。显示出合金层相组织聚集粗大,化合物生长迅速,楔型钉状的G相已横向长大,E相加厚,整个合金层厚度为9Lm～10Lm。合金层上方的焊料中Pb氧化严重,显示一片黑色。
图6 过温SMT焊点显微组织金相照片 450x
这种高温焊点,由于组织聚集粗大、疏松,其焊接中强度已相应地降低了。
3.4 有后置反应影响的SMT焊点。这是一个焊接温度已达到290℃～300℃(跑温)的SMT焊点,图7(a)是焊接后所作的金相检查显微照片。照片中清晰 地显示出了合金层上方较厚的富铅层,其厚度达14Lm～15Lm。该焊点在焊接中预热不够充分,焊接时间也短,其合金层相结构虽清晰可辨,组织并无明显粗 大倾向,但合金层厚度已明显增大。图7(b)是该焊点试样放置三个月后拍摄的金相照片,可清楚地看到富铅层已明显扩展,总厚度为20Lm～22
Lm。这种焊点由于富铅层的增厚与氧化,其焊接强度相应还会有一定程度的降低。
(a) 450× 焊接后制样拍摄 (b) 450× 放置三个月后拍摄
图7 有后置反应影响的SMT焊点金相照片
3.5 界面氧化膜。SMT焊点的界面氧化膜是导致虚焊或假焊的重要原因之一。其生成原因,一种是母材焊接前已被氧化。另一种原因是焊接温度高,母材在未来得及 与Pb-Sn焊料润湿之前被氧化。氧化膜隔阻了焊料与母材,使他们不能在焊接中相互反应,生成合金层,从而成为虚焊或假焊。
3.6 孔洞缺陷。孔洞是焊接中残余气体不能有效地排出,在焊点内膨胀,而生成的缺陷。通常易发生于高温焊接的焊点中,形状呈类圆形,边缘平整,并位于界面上方的焊料中;因此,有孔洞缺陷的焊点,也常伴随有氧化膜缺陷,见图8。
图8 孔洞缺陷焊点金相照
SMT 焊点质量的金相检测技术,由于其具有准确、直观、分辨率高的优点,因此对SMT生产中的焊点质量检测、质量控制与工艺研究,有重要的实用价值;也对SMT 研究与发展有较好的促进效应。作者的初步研究与试验工作,仅仅是起到抛砖引玉的作用,供同行们参考,以促进SMT的飞速发展。敬请同行们批评、指正。
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