ENIG Ni（P）鍍層焊接界面P偏析產(chǎn)生機(jī)理

P偏析是指在使用ENIG Ni（P）鍍層進(jìn)行回流焊接時(shí)，由于Ni和焊料中的Sn之間的冶金反應(yīng)，導(dǎo)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(qiáng)度和可靠性，增加焊點(diǎn)的脆性和開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)采用SnPb在Ni（P）層上焊接時(shí)，當(dāng)熔融焊料和Ni（P）層接觸時(shí)，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(dǎo)致P偏析，如圖1所示。

圖1. SnPb焊料與Ni（P）鍍層焊接時(shí)發(fā)生的P偏析

當(dāng)采用無鉛焊料SAC在Ni（P）層上焊接時(shí)，情況與有鉛焊料基本類似，不同的是此時(shí)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(shí)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(jī)理主要是由于Ni的溶出和P的富集所導(dǎo)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(kuò)散和Ni的消耗所致。P偏析會導(dǎo)致焊接界面的強(qiáng)度和可靠性的降低，因?yàn)镻是一種脆性元素，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(diǎn)的脆性和開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

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(shí)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?yàn)镾n會促進(jìn)Ni的擴(kuò)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?yàn)樗鼈兛梢孕纬煞€(wěn)定的金屬間化合物，阻礙Ni的擴(kuò)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(kuò)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(yán)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(yán)重，因?yàn)镻的擴(kuò)散和Ni的消耗的空間越大。而當(dāng)Ni（P）層的厚度小于3μm時(shí)，P偏析的影響可以忽略不計(jì)。

3.焊接溫度和時(shí)間：焊接溫度和時(shí)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(shí)間越高，Ni的溶出和P的富集越明顯。