一文了解金属偏析现象

一、偏析的定义及分类

1.偏析定义金属合金中各部分化学成分的不均匀性，称为偏析。在电子组装焊接中，偏析是一种冶金过程中发生的缺陷，由于焊点各部分化学成分不一致，势必使其机械及物理性能也不一样，这样就会影响焊点的工作效果和使用寿命，因此，在生产中必须防止合金在凝固过程中发生偏析。

2.偏析分类在PCBA制造和应用中，常见的偏析可有下述3种类型，即晶内偏析、区域偏析和比重偏析。对于某一种合金而言，所产生的偏析往往有一种主要形式，但有时由于条件的影响，几种偏析也可能同时出现。1）晶内偏析在同一个晶粒内，各部分化学成分不均匀的现象称为“晶内偏析”，又称“树枝状晶偏析”，简称“枝晶偏析”。液体金属在其凝固过程中，多是按树枝状方式长大的。首先形成树枝状晶轴，然后依次长出二次、三次……晶轴，逐渐将液体所占据的枝晶空隙填满，结晶过程亦告结束。因此，必然导致树枝状晶轴与晶轴之间成分的不均匀性。晶内偏析往往在初晶轴线上含有熔点较高的成分多。如Sn青铜在晶粒轴上往往含铜较多，含Sn较少，而枝晶边缘则相反。产生晶内偏析，一般有两个先决条件：●首先，合金的凝固过程存在一定的温度范围；●其次，合金结晶凝固过程中原子扩散速度小于结晶生长速度。一般情况下，合金的凝固温度范围越大，焊点结晶及冷却速度越快，则原子扩散越难于进行完全，晶内偏析现象越严重。因此，晶内偏析多发生于凝固温度范围较大，能形成固熔体的合金中。2）区域偏析各区域成分不一致的现象称为“区域偏析”，即整个焊点断面上，各部分化学成分不一致的现象。它主要是由于合金进行选择凝固造成的。区域偏析分：●正向偏向：熔点较低的成分或合金元素溶质集中在焊点的中心和上部；●逆向偏析：与正向偏析相反，熔点较低的成分或合金元素溶质集聚在加工件的边缘。合金在一定温度范围内结晶，是产生区域偏析的基本原因，当凝固温度范围较小时，一般倾向于产生正向偏析；而当凝固温度范围较大，树枝状晶又很发达时，较易产生逆向偏析。3）比重偏析由于合金中两组元素比重不同，而在同一工件中出现上下部分成分不一致的现象，称为比重偏析。例如，波峰焊接用钎料槽内，由于所使用的SnPb钎料中的Sn和Pb的比重不同，钎料槽中的钎料不论是熔融状态还是凝固状态，在钎料槽底部的钎料往往是富Pb的。波峰焊接过程中，钎料槽中的钎料一旦搅拌不充分，就会因钎料槽中的钎料因比重偏析而在底部成为富Pb区，致使工作波峰上的钎料偏离共晶组分，导致钎料润湿性劣化，温度特性变差而导致焊接缺陷。对于易产生比重偏析的合金，必须采取措施，防止缺陷的形成。如加强对钎料槽中钎料的搅拌和加快焊后焊点的冷却速度等。

二、偏析对焊点可靠性的影响

偏析对焊点可靠性的影响，可举例如下。（1）偏析少的微细强化相均匀分布的钎料结晶组织是人们所追求的。然而由于偏析等原因形成的低熔点脆性相，即使在低应力下也会成为破坏的起点。（2）M.Date等人在研究沿钎料和Cu界面疲劳裂纹的生长速率与释放的应变能与老化时间的关系时，在140℃下老化7～30天，由于Sn进入金属间化合物层，老化产生了一个紧挨着界面IMC的连续的富Pb相区域，它提供了疲劳裂纹易于扩展的途径。疲劳裂纹扩展的阈值应变能释放率在刚再流状态下的25J/m2到老化30天后的10J/m2之间变化。（3）在热循环试验中，可识别出元器件和PCB焊盘界面间的AuSn合金层，因为在再流过程中浸Au层会溶解于钎料中。界面上含Au量高形成的AuSn4层则相邻于富Pb区域，如图1所示。

图1

建立在相邻于该层的局部富Pb区的界面是不牢固的。缺陷有可能快速蔓延，并沿着AuSn4金属化合物产生断裂。（4）使用扫描电镜（SEM）对焊点进行检测，图2和图3所示分别为TCA热循环后失效的显微照片和Pb的分布图。观察这两种失效，可以发现裂纹是沿着富Pb区开始和扩展的。

图2 TCA热循环试验后的失效焊点

图3 TCA热循环试验后失效焊点的Pb分布图