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2017-08-07  摘自：电子制造技术

摘要：无铅化电子组装中，由于原材料的变化带来了一系列工艺的变化，随之产生许多新的焊接缺陷。本文针对离子迁移进行了产生机理分析，并给出了相应的解决措施。

关键词：无铅；焊点；缺陷；离子迁移

1.引言

      无铅化制程导入过程中，钎料、PCB焊盘及元件镀层的无铅化工艺配合新焊剂使用逐步得到广泛应用，随之产生的各种焊接缺陷，比如离子迁移困扰着实际生产的顺利进行。本文主要针对离子迁移进行原因分析并给出相应解决措施。

2.离子迁移

      印刷电路板等电极间由于吸湿和结露等作用吸附水分后加入电场时，金属离子从一金属电极向另一金属电极移动，析出金属和化合物的现象称为离子迁移。离子迁移现象是由溶液和电位等相关的电化学现象引起，特别是在高密度电子产品中，材料与周围环境相互影响导致离子迁移发生。

2.1产生机理

      离子迁移根据其发生形态和发生状况被分为枝晶生长（Dendrite）和导电阳极细丝（CAF）两大类。Dendrite是根据PCB的绝缘表面析出的金属和其化合物呈树枝状而命名（图1），CAF则是根据沿着PCB的绝缘基板内部的玻璃纤维所析出的金属或其化合物呈纤维状延伸状态而命名的（图2），树脂基板吸水膨胀，玻璃纤维分离破裂为CAF提供通道，电化学反应析出沉淀导致漏电。

      离子迁移发生过程可分为阳极反应（金属溶解）、阴极反应（金属或金属氧化物析出）和电极间发生的反应（金属氧化物析出），其中阳极反应和阴极反应是枝晶生长的发生机理，而阳极反应、阴极反应和电极间发生的反应是导电阳极细丝的发生机理。阳极之所以发生金属溶解是因为水的电解反应使阳极附近呈现局部酸性，酸性越强越易形成金属离子；阴极之所以发生金属析出是因为水的吸氧作用使阴极附近出现局部碱性，碱性越强越易发生金属析出。

            图1 枝晶生长导致短路

图2 CAF形成导致漏电

2.2影响因素

      离子迁移试验可以用来测定绝缘电阻值和介电特性值。测定着眼于绝缘体中离子载体及泄露电流，由析出物距离判别绝缘性变化以此评价迁移的生存。迁移速度如果过大，会影响电极的正极溶解量和负极析出量，离子迁移试验不易做到定量测定，一般采用石英晶体微天平（QCM）进行测定，其利用石英晶片的压电效应，测定由适应晶片表面产生的微小重量变化和谐振频率变化。电流值的急速增加反映迁移生长和电极短路，谐振频率的增加反映电极表面有金属析出。

      离子迁移发生的影响因素较多，表1为主要的加速因子，其中包括电极材料、温度、湿度及酸度等。无铅钎料中加入其他成分金属，不同表面结构状态金属化合物导致位置、稳定性及电极电位溶解特性不同，产生电子迁移的原因更加复杂。表2为不同钎料金属的标准电极电位，表3为无铅钎料表面组织与特性。由表可以看出：常用来作为电路布线材料Ag和Cu离子迁移发生速度较快，但在无铅钎料中可以生成稳定的化合物抑制离子迁移，故其耐迁移特性与在Sn中的溶解特性相关；虽然Zn能溶解到Sn中，但因形成了Sn及Zn的纯态膜起到了防止Zn溶解的目的，可以相对抑制离子迁移的发生。总体上无铅钎料比有铅钎料耐离子迁移性高，但其稳定性受其特征的影响及电压、焊剂等影响有可能丧失。

表1离子迁移发生的加速因素

表2 钎料金属的标准电极电位

表3 无铅钎料表面组织与特性

     在酸性溶液中，阳极钝化时，SnPb合金的维钝电流高于SnAg系钎料电极的维钝电流，且具有较高的临界电流和临界电位；阴极极化时，SnAg系钎料合金具有比SnPb合金高的超电势。通过对SnZn、SnAg、SnCu、SnBi及SnPb的比较发现，发生迁移的趋势依次为SnZn>SnAg>SnCu>SnBi>SnPb。另外，含Bi钎料较SnPb钎料具有较低的超电势，电化学反应的倾向较大，因而不宜替代传统的SnPb合金用于较大电流、较高电压和潮湿环境中元件的焊接。图3为水滴法测试无铅钎料离子迁移试验，从绝缘电阻变化可看出，发生迁移的趋势依次为Sn3.5Ag>Sn3.0Ag0.5Cu>Sn37Pb>Sn2Ag0.75Cu3Bi，含Ag量越高越易发生迁移。

           图3 去离子水滴法测试的绝缘电阻变化

      在实际PCB电路中，由于各导线之间均有电位差异，就形成阴极和阳极。在无铅工艺中，由于焊接温度较高，加之非挥发水溶性性焊剂和灰尘导电物等具有一定的活性，在潮湿的环境中水和焊剂残余就形成电解质，导线上金属就在电解质中变成离子进行迁移并形成枝状晶，同时也很容易使板材发生CAF，导致漏电、短路产品失效。目前日本已出现一种Anti-CAF的板材。

      有铅钎料中一般发生Pb析出，无铅钎料中一般发生Sn析出，如果出现润湿不完全，有裸露的Cu焊盘，则会发生如图4所示的Cu析出，Cu离子迁移发生机理见图5。

图4 钎料中枝晶析出图片

             图5 Cu离子迁移发生机理

      各种钎料的离子迁移析出形态具有分形维数特性，分形维数在1.3～1.7间，可以认为是分形维数图形。图6为Sn3.5Ag、Sn9Zn和Sn37Pb的分形维数图形，显示出近似直线型发展和呈放射状发展两种，分形维数分别为1.3、1.4和1.7，从分形维数来看，无铅钎料的耐离子迁移性高。影响析出形态的因素很多，如不均匀的电流分布和反应物的浓度，这些对金属析出的结晶核的产生速度有影响。一般来说结晶核产生速度极快而其生长慢，则成为微细结晶。

      值得注意的是银及其合金，因其良良好的导电性、传热性和可焊性而被广泛用于电子电气装置中，银一般被用在其它金属表面做防护层、玻璃和陶瓷上的金属化膜、聚合物材料中的导电性填充物。银在适宜的环境中就会从它的初始位置进行离子移动，并在其相邻区域再沉积，通过“表面迁移”和“枝状迁移”在绝缘体表面和内部形成枝状晶等，使受影响的绝缘体电阻率、面电阻率、介质强度和飞弧电阻会不断减小，**终严重失效。

 图6 无铅钎料和有铅钎料分形维数图形

      银迁移速率取决于迁移诱发条件的程度，并随金属类型而变化。发生迁移的先决条件是高湿度、持续加电压和一个与银接触、具有吸湿特性的绝缘体。银迁移可以通过试验进行测试：把滤纸加在相距1.27cm的银片电极之间，极间加上48V直流电压，保持环境湿度在98RH%，经过一段时间后，就会发现银通过并沿滤纸表面进行迁移。

      在无铅焊接过程中为了防止Ag离子迁移，一般采取以下措施：

      尽量不使用银合金焊料；

      避免给含银焊料接触的电绝缘体施加湿度效应；

      尽量不使用吸湿性强、纤维状的绝缘体材料为封装、载体的元件等物料；

      多孔绝缘体需经树脂处理以减少吸湿作用；

      材料表面浸渍防水剂，形成疏水膜，减少绝缘体表面的润湿度，减少吸水性。

3.结论

      无铅焊接工艺的应用致使组装材料、设备和工艺等发生了许多变化，相应的也出现了许多新的产品质量问题。只要通过科学合理的方法去解决，充分认识无铅钎料特性，更新**加工概念，发现问题，认识问题，进行探究与分析，找出解决之道，防止问题与未然，实现高成品率，减少和消除各种焊接缺陷问题，才是降低成本的**根基。

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