錢雨鑫 ， 姚宏旭 ， 樓倩

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.寧波賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，浙江 寧波 315040）

0 引言

在電阻、電容等結(jié)構(gòu)中，端電極起到了鏈接本體內(nèi)電極與外圍線路的作用，目前主要的端電極有純銀端電極和三層電極 （常用的有Ag/Ni/Sn）兩大類[1]。本文以壓敏電阻為研究對(duì)象，分析了電阻的本體和可焊端發(fā)生分離的原因。

1 案例分析

1.1 背景

失效樣品為壓敏電阻，客戶反映樣品焊接后鍍層與本體發(fā)生分離。根據(jù)客戶提供的資料焊接，Ag-Pd端子和電阻的本體時(shí)主要運(yùn)用混裝工藝中的導(dǎo)電膠粘結(jié)技術(shù)而不能運(yùn)用無(wú)鉛焊接工藝，因?yàn)椴捎脤?dǎo)電膠粘技術(shù)焊接Ag-Pd端電極和電阻的本體時(shí)，Ag-Pd端子被腐蝕的可能性會(huì)降低。

1.2 分析過(guò)程

首先對(duì)失效樣品的外觀進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)失效樣品的兩個(gè)可焊端均發(fā)生了溶蝕現(xiàn)象，電阻本體狀況良好，失效樣品的外貌圖如圖1所示。

圖1 失效壓敏電阻的外貌圖

客戶提供的兩個(gè)失效樣品均是在經(jīng)過(guò)金屬耐溶蝕性試驗(yàn) （260℃，＞20 s）后發(fā)生了可焊端與本體分離的現(xiàn)象。我們依據(jù)IPC J-STD 002C Test D標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)正常樣品的可焊端的一端進(jìn)行金屬耐溶蝕性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，樣品在260℃的錫鉛焊料中停留10 s時(shí)，其可焊端焊料覆蓋良好，未出現(xiàn)異常；當(dāng)停留時(shí)間達(dá)到20 s時(shí)，可焊端拐角處的金屬發(fā)生溶蝕現(xiàn)象；當(dāng)停留時(shí)間達(dá)到30 s后，樣品的可焊端發(fā)生溶蝕，試驗(yàn)圖片如圖2所示。

圖2 樣品經(jīng)過(guò)金屬耐溶蝕性試驗(yàn)后的照片

利用掃描電子顯微鏡 （SEM：Scanning Electron Microscope） 和能譜儀 （EDS：Energy Dispersive Spectrometer）對(duì)正常樣品的可焊端的成分進(jìn)行分析，由能譜結(jié)果得知，可焊端的材料為Ag-Pd，其中Pd的含量在23%左右，未發(fā)現(xiàn)明顯的異常元素，在電阻本體靠近可焊端的位置探測(cè)到了Ag元素。利用SEM&EDS對(duì)失效樣品的殘留焊料進(jìn)行分析，得知焊料中除了有主成分Sn元素，還有Ag、Pd元素。詳細(xì)結(jié)果如圖3所示。

制作已經(jīng)完成了金屬耐溶蝕性試驗(yàn)后的電阻樣品的金相切片，然后利用SEM&EDS對(duì)樣品的金相切片進(jìn)行分析，得到的結(jié)果如圖4所示。結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)了金屬耐溶蝕性試驗(yàn)后，樣品的可焊端中的Ag-Pd材料在SnPb焊料中發(fā)生了一定程度的擴(kuò)散。對(duì)樣品進(jìn)行SEM面掃描，得到的結(jié)果進(jìn)一步證明了Ag-Pd端子的擴(kuò)散，掃描結(jié)果如圖5所示。

圖3 SEM&EDS結(jié)果

圖4 樣品金相切片SEM&EDS

圖5 樣品進(jìn)行SEM面掃描

2 結(jié)果與討論

利用SEM&EDS對(duì)正常樣品的可焊端和本體的成分進(jìn)行分析，由分析結(jié)果可得知可焊端的材料為Ag-Pd，其中Pd的含量在23%左右，未發(fā)現(xiàn)明顯的異常元素，在電阻本體靠近可焊端的位置探測(cè)到了Ag元素，說(shuō)明Ag存在一定程度的遷移。

對(duì)樣品進(jìn)行金屬耐溶蝕性試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，樣品在260℃的錫鉛焊料中停留10 s后，未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象；停留20 s后，樣品的可焊端出現(xiàn)了溶蝕現(xiàn)象，溶蝕面積小于可焊端面積的25%；停留30 s后，樣品出現(xiàn)了明顯的溶蝕現(xiàn)象。制作樣品的金相切片，并利用SEM&EDS對(duì)樣品的金相切片進(jìn)行分析，結(jié)果表明，Ag-Pd端子在錫鉛焊料中發(fā)生了擴(kuò)散現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了可焊端與電阻本體發(fā)生分離。

金屬Ag本身非常容易擴(kuò)散遷移，但是，在Ag中加入Pd后，Ag與Pd形成的Ag-Pd合金可以抑制Ag的遷移，其中Pd的含量越高，Ag-Pd合金抑制Ag擴(kuò)散遷移的能力就越強(qiáng)[2-3]。在本案例的焊接過(guò)程中，Ag與Sn在221℃時(shí)會(huì)發(fā)生反應(yīng)，形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構(gòu)和ε金屬之間的化合相位 （Ag3Sn），從而導(dǎo)致了壓敏電阻的可焊端與本體發(fā)生分離[4-6]。

綜上所述，由于Ag-Pd端子在與SnPb焊料焊接的過(guò)程中，Ag在221℃會(huì)與Sn形成低熔點(diǎn)合金，且過(guò)長(zhǎng)的焊接時(shí)間和偏高的焊接溫度會(huì)加劇Sn-Ag合金的形成，因而導(dǎo)致了壓敏電阻的可焊端與本體發(fā)生分離[5-6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述案例分析，我們可以得到如下結(jié)論：過(guò)長(zhǎng)的焊接時(shí)間和偏高的溫度導(dǎo)致了Ag-Pd鍍層端子中的Ag與焊料中的Sn形成低熔點(diǎn)合金物質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致了電阻的可焊端與本體發(fā)生分離。因此，在焊接Ag-Pd鍍層端子與電阻本體的過(guò)程中，建議使用導(dǎo)電膠粘結(jié)工藝，以防止焊接過(guò)程中Ag在高溫下與焊料中的Sn發(fā)生反應(yīng)而影響焊接的質(zhì)量。

[1]蔣鶴麟.微電子工業(yè)中的貴金屬漿料 [J].貴金屬，1997， 18 （4）： 53-58.

[2]姚健，衛(wèi)國(guó)強(qiáng)，石永華.無(wú)鉛電子封裝中的電遷移 [J].焊接技術(shù)，2010，39 （3）：1-5.

[3]肖克來(lái)提，盛玫，羅樂(lè).Ag-Pd和Ni對(duì)無(wú)鉛釬料焊點(diǎn)形狀、微觀結(jié)構(gòu)及剪切強(qiáng)度的影響 [J].金屬學(xué)報(bào)，2001， 37 （6）： 647-652.

[4]莊立波，包生祥，汪蓉.MLCC端電極Sn鍍層的焊接失效分析 [J].電子元件與材料，2009，28（3）：68-70.

[5]魏建中.銀鈀內(nèi)電極與多層陶瓷電容器 （MLC）的可靠性 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2002，20（3）：1-3.

[6]沈駿.Sn-Ag系無(wú)鉛焊料中金屬間化合物的形成與控制[D].天津：天津大學(xué)，2005.