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電路板焊點(二)電路板無鉛銲料的含磷分析

2020-05-19 12:01:49 729

工作環(huán)境對電子產(chǎn)品的某些功能如按鍵或開關等,其外露金屬皮膜區(qū)域的可靠度,將會對產(chǎn)品帶來某些程度的影響。由于此等區(qū)域并無綠漆或其它封膠類所保護,因而必須靠其本身能力以抵抗所處的腐蝕環(huán)境,例如高濕或污染性氣體等。板面各種互連點遭到腐蝕后可能會導致斷路或短路,對整體組裝成品而言,電路板最終皮膜已成爲重要的課題。就長期可靠度而言,該等皮膜還可做爲金屬相互擴散的屏障層,以保護底銅墊在高溫中不致氧化。焊接后銅面所生成的介金屬(IMC) ,對于介面間所出現(xiàn)熱脹系數(shù)(CTE)之不匹配(Mismatchs ),也可扮演一種緩衝的角色,而不致造成硅晶片的拉裂。但此種IMC其本身最好也不要具有脆性(Brittleness)而使得銲點強度會更好。
一、介面磷量增多的分析
利用錫銀銅無鉛銲料分別在中磷(8.0 wt%)與高磷(11.2 wt%)的ENIG表面上進行焊接,然后再深入觀察其IMC的生長情形。下圖9是在微切片截面所標示的紅線,是用以說明SEM所掃描的路徑,右圖即爲紅色掃描上所測到磷含量變化的圖示。

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圖1、從中磷化鎳層銲點微切片截面上見到SEM放大35000倍的畫面

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圖2、從高磷化鎳層銲點微切片截面上見到SEM放大35000倍的畫面
并從下表1整理的數(shù)據(jù)可見到,在化鎳本層與IMC之間,其某些暗色區(qū)域即表磷含量已增多的富磷區(qū),以及焊接前后磷量變化的比較。
表1、焊接前后化鎳層IMC介面間其磷量變化的比較

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此等介面某些局部區(qū)間其磷量增多之機制有二 ,即:
(一)、當磷鎳合金層浸入金水進置換反應時,其中純鎳部份在快速溶入金水而黃金沉積之際,致使剩下無法溶解的磷量,于其介面間也就相對的增多了 。
但當高磷的化鎳表面浸入金水時,由于其抗蝕性較強,使得受到金水的攻擊而產(chǎn)生的置換反應也爲之變慢,以至所沉金之層厚度也較抗蝕性不強的中磷鎳來的較薄。
此現(xiàn)象可從相同操作條件之中磷鎳層(8 wt%))表面金厚0.08μm ,與高磷鎳層(11.2 wt%)的金厚0.05μm的對比,即可完全明瞭。
從前文化鎳浸金(ENIG)皮膜的測試中所整理的資料中可看出,一般常規(guī)條件下其金層厚度的范圍是0.05 — 0.08μm,至于其磷量的增多則尚不到1%。然而在晶界附近易遭攻擊區(qū),其磷量的增多卻可達4%以上。故知耐蝕性較強的化鎳層,其浸金反應后介面局部"磷量增多"的趨勢也將爲之減緩。
(二)、介面磷量下游再次之增多是發(fā)生在焊接反應中,也就是當高溫液錫溶化純鎳而形IMC之際,鎳走了所留下的磷量自然就會相對增多。此時若化鎳層的抗蝕性較強者,其介面局部磷量增多的趨勢也將變小。
由此可得知11.2 wt%的高磷化鎳層,其焊后介面磷量增多的現(xiàn)象也就不是很明顯。人們當然可以解釋成系抗蝕性變強之故,但事實上除了化學反應的行爲之外,高磷化鎳層還具有表面較平坦的物理特質(zhì),從SEM的放大畫面上可清楚見到高磷鎳面要比中磷者更爲平坦,于是在焊接反應中所提供的接觸面積也就較小,進而令純鎳溶走的趨勢不免爲之減弱。此種物理現(xiàn)象的解釋更可以從TC試驗后,IMC增肥增厚之結構方面再度獲得印證。
此刻可再回到推球試驗其"推球與伸長"的曲線差異,從其曲線良性平緩下降與不良脆性陡直下降的比較看來, 也必然是出自IMC結構差異所致。高磷者焊后介面不一定就會出現(xiàn)磷量增多的現(xiàn)象。以11.2 wt%高磷鎳層的焊接而言,其介面"磷量增多"的數(shù)字,尚不致對可靠度造成影響。反之中磷8 .0wt%者其"推球與伸長"試驗在推力方面,的確出現(xiàn)很大的不良變化。
二、打線后抗拉脫強度的比較
(一)、打鋁線的強度
此種拉力試驗總共做了50次。曾就ENIG中5μm厚的化鎳層,所得含磷量的變化頗大約在4.2 — 11 .6wt%之間, 其中之中磷鎳層〈4.2 , 7.7 , 8.0 wt%〉其金層厚度尚可保持在0.08μm;但高磷鎳層〔10.1與11.6 wt%〕者所得金層厚度卻只有0.05μm。
原裝的ENIG試樣或155℃高溫老化4小時后的試樣,打線后3個標淮差的平均拉力均可達到9.5cN(±0.75 cN),且不受磷含量的影響。此種數(shù)値早已超過MIL-STD-883C中2011法所要求及格標淮的4cN 。

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圖3、電路板強度測試打鋁線的強度
(二)、打金線的強度
此種拉力試驗總共做了60次,所採用之兩類試樣分別是電鍍鎳金,與高磷化鎳浸金(ENIG),是刻意用電鍍鎳金當做ENIG的老化或原裝試樣對比用的參照試樣。兩者打線前的金面都經(jīng)過電漿清潔。ENIG原裝試樣中的含磷量爲11.2 wt%。電鍍鎳金所得的平均拉力爲13.9 cN ,而未經(jīng)電漿清潔的高磷ENIG層其平均拉力竟達14.1 cN。至于未經(jīng)電漿清潔的電鍍鎳金表面,其平均打線拉力卻只有13.3 cN而已。
經(jīng)過電漿清潔的電鍍鎳金表面,其所測得"3個標淮差的平均値"(X-3S,已可函蓋各種拉力測試値的99.73%在內(nèi))爲10. 01 cN,而高磷ENIG未經(jīng)電漿清潔之表面, 其平均拉力亦達9.9 cN,但未清潔的電鍍鎳金表面其拉力卻只有8.8 cN的低値而已。

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圖4、電路板強度測試打金線的強度
三、結論
(一)、 當高磷鎳的金層爲0.05μm時,其打線能力竟可等于中磷者的0.08μm金層。原因之一是高磷鎳面的金層系屬緻密而疏孔較少的黃金層,還因高磷鎳層之抗蝕能力較好,以致不易出現(xiàn)氧化之故。
(二)、—旦ENIG中的鎳層與金層的厚度起伏不定時,即表可能會出現(xiàn)脆裂的行爲。其中尤以鎳層變薄與金層增厚處,其脆裂性最爲明顯,但在高磷ENIG的皮膜中,即使鎳層厚度不足處也不致存在脆裂的后患。
(三)、經(jīng)過電路板焊接與可累積應力的熱循環(huán)試驗后,高磷的ENIG皮膜均不易發(fā)生脆裂。且經(jīng)1000次TC后也未對高磷銲點的強度產(chǎn)生不利。高磷所測得"推球與延伸長度"的數(shù)據(jù)也相當穩(wěn)定,但中磷者經(jīng)過1000TC后所得到的數(shù)據(jù),比起原裝者已顯得相當分散。
(四)、將電路板焊接與TC后脆裂的試樣再經(jīng)微切片的觀察分析,發(fā)現(xiàn)中磷ENIG的推球開裂位置都是集中在IMC的附近,但高磷者的開裂則多半發(fā)生在球體的本身,并還可看到兩者的IMC并不相同。
(五)、對高磷ENIG而言,其浸金反應與焊接反應后,在介面所造成"磷量增多"的不良效應,比起中磷ENIG來約可減少30%。此種發(fā)現(xiàn)與先前所認定之"介面總磷量"并非關鍵因素;反倒是主鎳層中與"磷量多"區(qū),其兩者磷量的差異才是關鍵的說法,也得以相互吻合。
(六)、 至于打鋁線而言,其強度既未受鎳層中磷量的不同的影響,也未受原裝ENIG或155℃軔化4小時的不同而有所差異。而且高磷ENIG打金線的能力也非常好,其金層厚度卻只有電鍍鎳金層的十分之一而已。此種發(fā)現(xiàn)將來還會再深入加以硏究。
由上述可以量測到的各項數(shù)據(jù)可知,高磷ENIG的好處甚多。爲了良好的銲點完整性,以及打鋁線或打金線的優(yōu)異效果起見,所使用的高磷ENIG ,其化鎳厚度應到達5.5μm左右,其含磷量范圍亦需維持在9.5-13 wt%之間,而金層之厚度則只需0.05 μm即可。

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