P偏析是指在使用ENIG Ni(P)鍍層進行回流焊接時,由于Ni和焊料中的Sn之間的冶金反應(yīng),導致Ni(P)層中的P元素在焊接界面附近富集的現(xiàn)象。P偏析會降低焊接界面的強度和可靠性,增加焊點的脆性和開裂的風險。
產(chǎn)生機理
當采用SnPb在Ni(P)層上焊接時,當熔融焊料和Ni(P)層接觸時,由于Ni(P)層的Ni和焊料中的Sn發(fā)生冶金反應(yīng)生成的Ni3Sn4金屬間化合物,消耗了靠近焊料層區(qū)域中的Ni,使得該區(qū)域出現(xiàn)了富P層,從而導致P偏析,如圖1所示。
圖1. SnPb焊料與Ni(P)鍍層焊接時發(fā)生的P偏析
當采用無鉛焊料SAC在Ni(P)層上焊接時,情況與有鉛焊料基本類似,不同的是此時生成的金屬間化合物為Sn、Cu、Ni三元合金,如圖2所示。
圖2. SAC焊料與Ni(P)鍍層焊接時發(fā)生的P偏析
從上述兩種情況可以看出,P偏析的產(chǎn)生機理主要是由于Ni的溶出和P的富集所導致的。Ni的溶出是由于Ni和Sn之間的冶金反應(yīng)所致,而P的富集是由于P的擴散和Ni的消耗所致。P偏析會導致焊接界面的強度和可靠性的降低,因為P是一種脆性元素,它會使得金屬間化合物的結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定和易碎,從而增加焊點的脆性和開裂的風險。
影響P偏析的因素
主要包括焊料的成分、Ni(P)層的厚度、焊接溫度和時間等。
1.焊料的成分:焊料的成分會影響Ni和Sn之間的冶金反應(yīng)的速率和類型,從而影響Ni的溶出和P的富集的程度。一般來說,Sn的含量越高,Ni的溶出和P的富集越明顯,因為Sn會促進Ni的擴散和消耗。
另一方面,添加一定量的Cu或Ag可以有效地抑制P偏析,因為它們可以形成穩(wěn)定的金屬間化合物,阻礙Ni的擴散。圖3表示了焊料合金成分對富P層和Ni-Sn化合物層厚度的影響。
圖3. SAC的成分對富P層厚度變化的影響
從圖中可見,Sn3.5Ag二元合金的富P層的生長比較顯著。而對添加了Cu的三元合金,經(jīng)歷30min的反應(yīng)后也只有數(shù)百nm的厚度,Cu構(gòu)成了Ni擴散的阻擋層。因此,焊料中Cu含量的不同,對界面層的形成有較大影響。
2.Ni(P)層的厚度:Ni(P)層的厚度會影響Ni的溶出和P的富集的程度,從而影響P偏析的嚴重性。一般來說,Ni(P)層的厚度越大,P的含量越高,P偏析的程度越嚴重,因為P的擴散和Ni的消耗的空間越大。而當Ni(P)層的厚度小于3μm時,P偏析的影響可以忽略不計。
3.焊接溫度和時間:焊接溫度和時間會影響Ni和Sn之間的冶金反應(yīng)的速率和類型,從而影響Ni的溶出和P的富集的程度。一般來說,焊接溫度和時間越高,Ni的溶出和P的富集越明顯。