电子产品中铅焊接金脆问题浅析

周传君 周 岭 马 娜 王智斌 张绍东

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

0 引言

金镀层具有强抗氧化能力，在航天电子产品中普遍采用金作为元器件各种基体或电极引线表面镀层，采用锡-铅焊料焊接元器件镀金引线或镀金电极形成焊点，此类焊点多次发生过开裂导致卫星产品电气连接失效的故障。20世纪80年代，在一个设备质量问题分析中发现此类故障，通过权威部门检测，该故障由于镀金引线没有去金，焊点产生“金脆”现象造成。

所谓“金脆”现象，指在金镀层的表面焊接时，金扩散于焊料中形成脆性的金属间化合物AuSn4，当Au的含量达到3wt%时表现出明显的脆性，且焊点呈多颗粒状、失去光亮。随着Au含量增加至5wt%，拉力逐渐增加，然后下降，剪切力在含金量2wt%后下降，延展率在Au含量在8wt%后迅速下降［1］。

IPC标准《J—STD—001E》规定：通孔元器件引线和接线柱至少95%待焊表面上有厚度大于等于2.54μm的金层必须去金；表贴器件95%待焊表面无论有多厚的金必须去金。标准《DOD-STD—2000—1B》规定：在镀金连接器和元件引线的焊接部位，如镀层在1.27～2.54μm范围内时应进行一次搪锡，超过2.54μm的引线应进行流动浸锡或静止双锅搪锡。标准《ECSS-Q—ST—70—08C》中规定要进行两次搪锡，锡锅1中金含量需小于1wt%，锡锅2中金含量需小于0.2wt%。标准《NASA—STD—8739.3》规定焊料中金含量最大不得超过0.2wt%。德国人认为3wt%含金量很难控制，因此应该严格执行去金规定。航天标准《Q／W1038A—2017》中规定在任何情况下不得使用锡铅焊料在镀金层上直接进行焊接。在国内也有人认为镀金引线直接焊接从长期经验判断也并没有发生过质量问题，因此也存在不用去金的论调。本文主要针对航天电子产品广泛采用的Sn-Pb焊料在镀金表面焊接形成焊点的工艺，分析焊点含金量、时效、器件不同封装形式对焊点可靠性的影响，并深入分析了合金焊点金相组织结构，最后介绍了一般去金工艺要求与去金不到位而导致器件失效案例。

1 金含量及时效对焊点强度的影响

在很多标准与文章中提到了含金量与金层厚度的关系，为了便于读者定性分析，拿普通直径0.6 mm镀2.5μm厚金的器件引脚为例，插焊在2 mm厚、直径为1 mm孔中，假设焊料填满通孔，不考虑金含量的不均匀性，其金含量约为1wt%，镀金层越厚，含金量越高。

行业普遍认为，焊料中Sn与Au生成脆性合金AuSn4是使焊点强度减弱并发生失效的原因，航天某院对此进行了不同含金量抗拉强度测试和不同金层厚度的拉力试验［2］。结果表明：（1）焊料中含金量在5wt%以内时，焊点抗拉强度比纯焊料稍高；含金量到10wt%以后抗拉强度急剧下降；含金量大于15wt%以后，强度不到纯焊料的1／10；（2）超过5μm金层厚度时，部分金层溶入焊料，时效前引线从焊点中拉脱，焊料基本都留焊盘上，表明金层与焊料的结合强度较高，150℃时效后焊点结合力明显减弱，各种金层厚度的试样引线与焊盘结合力均明显下降，最低时不到时效前40%。

由此可知，金含量对焊点质量影响是一方面，大部分电气故障不是在焊接完成后金与锡生成脆性金属化合物所致，而是一定的温度条件下时效，残留的镀金层与焊料之间由于互扩散效应，脆性金属间化合物AuSn4不断生成，形成脆性层，导致金脆故障。

2 含金焊点形貌对可靠性的影响

2.1 不同封装器件焊点含金量要求

文献［3］指出，没有引脚释放应力的表贴器件金含量要求小于1wt%；BGA提出了小于0.3 wt%的要求；CSP表贴焊点对金含量也有限制，实验表明，含金量0.3wt%～0.5wt%将会影响寿命；近期研究，PBGA封装在ENIG表面，即PCB为化学镍金表面，发现Au超过0.3wt%，即可形成针状AuSn4，经过150℃烘烤14 d，Au-Sn金属间化合物再析出，微裂纹穿过Ni3Sn4层，在焊盘镀层界面发生金脆。

2.2 LCCC封装器件焊点失效分析

LCCC（Leadless Ceramic Chip Carrier，无引脚陶瓷片式载体）封装由于在微型化、薄性化及轻量化的优势，在军用电子产品方面应用广泛。某单位对于该器件也发生过焊点去金不完全而失效的案例，器件焊接后，不同焊点中焊料组织类似，焊点内部存在Au-Sn枝状晶（图1），其余相组织较细小均匀，焊点中Au-Sn枝状晶的形成与器件去金处理不彻底相关，当焊点形成时Au残留将以很快的速度进入到液相焊料中，并与之发生冶金反应，形成Au-Sn金属间化合物并以枝状晶的形式保留在焊点内部。焊料中存在一定数量的孔洞等缺陷，局部区域还出现微裂纹，但这未形成连续的孔洞层或连续裂纹，因此焊点的电连接性能并未丧失。

图1 LCCC器件引脚光学照片Fig.1 LCCC device pin optical photo

在-55～125℃条件下，进行500周期循环试验，对试验后的LCCC器件进行焊点及组织分析，由于LCCC器件陶瓷封装体与焊料及焊盘的CTE系数相差数倍以上，因此在热循环过程中所产生的热应力很大，随着热循环过程中晶粒的粗化、成分偏析以及热应力的作用等导致焊点中拐角处的热应力集中导致微裂纹的产生，随着热应力的进一步释放，裂纹进一步向焊料内部扩展。裂纹主要出现在器件侧的焊点界面处（图2），PCB铜焊盘与焊料结合相对紧密，未见明显裂纹，更加表明该器件焊点因为去金不彻底致焊点开裂。可见，该器件虽经过搪锡去金，但去金处理不到位，加之该器件无引脚释放温循应力，在温度循环环境条件后，热失配所造成的应力只能通过裂纹进行释放，故最终焊点开裂失效。

图2 LCCC右侧焊点SEM照片Fig.2 SEM photo of the right side solder joint

对两只器件每边各取3个焊点进行侧面中间、下面以及底面的金含量分析，结果详见表1，两只器件剖面成分分析结果见表2，可见焊点的不同位置，含金量相差比较大，含金量分布并不均匀，所以并不能笼统的通过计算金含量或者通过金层厚度来判断是否有产生金脆的风险。

表1 能谱仪金含量测试结果Tab.1 Energy Spectrometer Gold Content Test Results w t%

表2 剖面成分分析Tab.2 Profile analysis w t%

3 金脆产生的金相组织分析

在电镀镍金（1μm的Au、7μm的Ni）表面焊接，反应前［图3（a）］Cu表面覆一层7μmNi和1μmAu，随着焊接反应及焊点冷却迅速融入铅锡焊料中形成AuSn4合金，在AuSn4合金与Ni层之间形成了Ni3Sn4合金［图3（b）］，随着150℃、3 h时化处理后，AuSn4合金发生了迁移与再分布，这些针状的AuSn4会再次迁移到Ni3Sn4的表面，在焊料和Ni3Sn4合金又形成了（AuNi）Sn4合金［图3（c）］，而随着进一步高温老化试验（条件：160℃，500 h），（AuNi）Sn4合金也将继续增长。图4给出的BGA焊点失效是沿着AuNiSn4与Ni3Sn4和Ni3Sn4与Ni层之间发生［4］。

文献［5］中除了给出了典型的含金焊点微观组织图（图5），还对失效焊点开裂区域的含金量进行了分析，分析发现距离开裂区域远、金含量低，金含量与距开裂点的距离成比例关系，并且QIA和EPMA两种分析方式（定量图像分析和电子探针显微分析）的结果吻合，如图6所示［5］。

图3 焊点反应前、时效前及再分步微观结构图Fig.3 Schematic diagram ofmicrostructure before solder joint reaction，before aging and redistribution

图4 焊点失效断裂图Fig.4 Solder joint failure fracture diagram

图5 焊点微裂纹示意图Fig.5 Solder joint failure fracture diagram

图6 金含量与距微裂纹距离关系Fig.6 Relationship between gold content and distance from microcrack

4 去金工艺及案例

4.1 去金工艺一般要求

为了防止金脆现象的产生，在焊接前应对镀金引线必须经过去金处理，即搪锡。搪锡工艺对于插装元器件、导线和各种接线端子容易实现，但对于表面贴装器件，如：SOIC、SOP、QFP，由于其引线窄而薄，容易变形，进行搪锡处理十分困难［6］；对于镀金引线应使用锡锅进行搪锡时，第一次应在专用镀金锡锅里搪锡，如果需要第二次搪锡，搪锡应待电子元器件冷却后再进行，第一次搪锡的锡锅不可用于非镀金引线搪锡，锡锅中的锡应该经常更换。搪锡一般只局限于焊接部位的引线线段；对于电连接器焊杯搪锡，一般采用电烙铁搪锡，焊料应润湿焊杯整个内侧，至少润湿焊杯75%空间，搪锡次数最多不得超过3次。

4.2 去金不彻底失效案例

如果金层厚度大于3μm，金层通过搪锡就很难完全去除干净，金表面依次是AuSn，AuSn2和AuSn4，当AuSn4形成针状并出现在界面层，哪怕是正常温度也会引起金脆［1］，某单位曾经出现过QFP器件只在引脚底面进行除金，而器件引脚两侧未除金，存在去金不干净的问题，加之该器件引脚共面性不佳，部分引脚与焊盘间存在间隙，导致回流焊后引脚焊接不良，经过ESS温循和随机振动试验后引脚焊点开裂，如图7和图8所示。

图7 器件引脚起翘Fig.7 Device pin up

图8 开裂焊点微观组织图Fig.8 Cracked jointmicrostructuremap

5 关于铟基焊料不去金

In-Pb钎料由于比Sn-Pb合金钎料有着更好的抗疲劳性能，近年来被广泛应用于军事及航天领域［7］。电极或焊盘表面的Au镀层在In-Pb钎料中的溶解度远小于在SnPb等Sn基钎料中的溶解度，生成的Auln2层厚度远小于Sn基钎料中AuSn4的厚度［8］，且较之AuSn4相，Auln2相理论上具有良好的延展性，所以铟基焊料相较于锡基焊料对于镀金引脚焊接并不敏感［9］。

6 结语

金脆开裂需要有应力作用才表现出来，这种应力可能是热失配或者振动。LCCC器件陶瓷封装体与焊料及焊盘的CTE系数相差数倍以上，因此在热循环过程中所产生的热应力很大；QFP器件去金不干净在振动条件下导致焊点开裂。目前发现的金脆问题，都是“金脆＋应力”导致的，除了热失配应力与振动应力外，还有接插件（例如1553B）反复插接导致焊点开裂，实际工程中，绝大部分焊点是要受到应力的作用，但如果器件引脚可以提供足够的应力释放，失效也不会发生，因此，金脆问题必须综合考虑系统应力释放、AuSn4合金在焊点中分布以及金含量的问题。