主题：【第十一届原创】焊点根部的微裂纹研究

      随着便携式电子产品(如手机、笔记本电脑、MP3和PAD等)以及机载电子产品种类和数量日益增多,对电子元器件封装的可靠性和耐久性提出了更为严格的要求。电子产品逐渐向微小型化、高精度装配封装方向发展，所以电子产品电路集成度不断提高，焊点数量不断增加变多，但尺寸却越来越小（如图1-1为硬盘的磁阻磁头的焊点）。
                                                 
        如果继续使用传统的焊料或者传统的工艺往往会出现一些问题。比如在机械硬盘的磁阻磁头的焊接过程中，在6个焊点的焊接工艺中，使用的焊料是无铅钎料（Sn-Ag-Cu）。但是在8个焊点的磁阻磁头的焊接过程中，采用无铅钎料（Sn-Ag-Cu），经过激光焊接组装后，在焊接的根部往往会出现些微裂纹（图1-2）；这些裂纹对磁阻磁头来说，是一个不能允许的缺陷的危害，且它会缩短磁阻磁头乃至这个硬盘的寿命。
                                                                           
        在研究中发现， 8个焊点工艺与6个焊点使用的无铅钎料的成分都是一样的；8个焊点中焊接时激光的功率也只是6个焊点的激光功率大了1/3；但是奇怪的是6个焊点经过焊接后的零部件并没有出现这样的失效模式。对缺陷焊点锡球进行断面（图1-3）制备，在扫描电子显微镜下观察截面微观观察，发现这个微裂存在于磁阻磁头浮动块焊接片所附着的氧化铝层，并集中在焊接片以及内部导线铜焊接柱附近。通过进一步对裂纹尺寸大小的测量，发现氧化铝层表面处的裂纹尺寸较大，而内部铜焊接柱附近裂纹较小。据此观察结果，认为裂纹是从浮动块氧化铝表面生成，并向氧化铝层内部铜焊接柱延伸。
                                           
      通过对焊接过程焊点应力分析发现，焊接处应力分布的最大变异值在焊点根部附近（图1-4焊接处应力分布图），这与电子显微镜观察到的微裂纹所在位置一致；且8焊点的应力最大变异值明显大于6焊点的（如表1-1）。
                                                               
        据此认为8焊点的浮动块氧化铝表面微裂纹的产生与焊接时焊接处应力分布的不均匀性有关。在焊接时，在锡球合金金属层形成过程中，熔融的锡球需要释放出大量的热量，该热量在焊盘附近，因为焊接结构的形成以及焊盘周边材料热传导率的不同，在焊盘附近产生热量集中，从而加剧了热应力分布的不均匀性，导致微裂纹的产生，向氧化铝层内部释放应力。
        图1-5是不同熔点锡球材料的相图，相图表明，随着金属铟的添加，锡球的熔点不断降低，且其对应的金属合金相的固化温度显著降低。熔点的降低意味着锡球焊接时所需要施加的能量的降低，而固化温度的显著降低，意味着锡球在融化后的固化过程中，材料自身进行了充分的热耗散，释放了更多的热量，从而降低了锡球固化过程中应力释放的要求，即相应减小了应力分布的不均匀性，从而降低了微裂纹产生的概率。
                                                     
        实际应用中，采用了含铟的无铅钎料，以减小焊接过程中的微裂纹。本文研究中向无铅钎料中添加了1%质量含量的金属In，研究表明添加1%质量含量的铟添加既可以消除该无铅钎料激光焊接过程中微裂痕的产生。