大家好，我是海瑞航天的武鹏，欢迎大家来到海瑞课堂和我们一起学习MIL-PRF-38535这门课程。上一期我们介绍了引脚与镀层的关系，并且总结了三种金属涂层对于引脚焊接的优势与缺点，接下来我们谈谈复合涂层工艺。
复合涂层工艺
图1：热涂铅锡合金的理想结构图
复合涂层顾名思义是通过多个涂层让引脚既满足可焊性，又保证了引脚的抗氧化问题。因此是现在的一种主流方式。一般来说复合涂层工艺至少会包括三层：合金过渡层、易焊金属层和表面抗氧化层。各层起到的作用不一样，因此每层使用的材料也不一样。
合金过渡层：目的是对涂层与铜芯之间生成的金属间化合物（Cu6Sn5）的增长速度进行抑制。能抑制η相增长的材料很多，如镍、钴、铁、铅等镀层，但选用金属铅抑制η相自由增长，对元器件引线的可焊性涂层是既有效又经济的。因为铅与铜不相互作用，当锡内加入铅后，铅能抑制铜向锡内的扩散速度，当锡内的含铅量高到一定数值后，就形成了一个阻挡隔离层。工艺上热涂层带有少量锡的锡铅合金，可以减少铜在熔融的液态金属中的溶解量。钎焊观点认为：这层很薄的η相过渡层是使基体金属（母材）与涂层（钎料）之间形成冶金结合，会加强基材结合力。经过试验85%~90%铅，10%~15%锡的合金能很好地形成隔离带。
表面抗氧化层：其目的是涂层表面要能够抵抗住大气和元器件制造工艺过程中工业气体的污染。在涂层内增加铅后，抗大气中氧与水汽的氧化能力会下降，因为铅与锡相比较，在常温下抵抗氧与水汽的能力低得多，涂层经高温或蒸汽后表面会变黑，含铅量越高抗潮湿能力下降的会越多。在合金中添加金属铈（shi）、铟、镓等活性金属能有效地保护涂层表面抵抗大气中氧及水汽的侵蚀。金属铈等金属的化学性质非常活泼，能与多种金属氧化物作用夺取氧，自身先被氧化形成氧化膜，这个膜很致密，能保护住金属表面不被继续氧化。而其氧化物Ce2O3和低价氢氧化物Ce（OH）3，都易溶于酸，因此在电装焊接的工艺条件下能够较轻易地溶于助焊剂中的酸性物质（例如：松香酸），从而被助焊剂清除。所以其会体现出优秀的可焊性。
易焊金属层：该层的目的是起到内外两层的有效连接。因此易焊层考虑目的是：1、高温下的可焊性要好。由于里面有抑制（Cu6Sn5）生成速度的隔离层，外部有抗氧化的表面涂覆层，能耐受较长时间的高温环境处理，因此对于其可焊性恶化因素较少。因此该层的目的最主要的就是要使引脚在高温下更可靠的焊接。2、抗潮湿性能，要避免潮气通过这一层到达合金过渡层与铅发生反应。3、涂层的机械性能与结合力好，避免层与层之间产生裂纹或脱层现象；4、涂层应尽量薄。由于该层在中间有内外层对其保护，因此这一层不需要做的很厚；另一方面为了保证该层的机械性能（例如耐弯折、无裂纹脱层现象），作为中间层也不应考虑做的很厚，一般做到4~8μm就足够了，如果工艺满足更低一些也是可以的。
在翻阅相关资料时，发现了一份“IC引脚腐蚀导致工作失常”的分析报告。该故障分析虽然根本原因是“电装后助焊剂未清洗干净，导致腐蚀后的生成物短路”。但我们可以通过其系统的分析，了解到IC引脚镀层在电装及使用过程中所面临的环境影响，而这些影响包括了锡膏的成分、趴锡的高度、助焊剂的成分以及加电后的电离效应等更为多元且复杂的因素。
以下内容整理自《IC芯片因管脚出现腐蚀导致电路工作失常的机理研究》，作者：付红志、孙磊、樊融融》，为便于叙述内容上有调整。
某人员检修时发现PCBA上的电压控制芯片没有输出，导致整机不工作。具体原因是该芯片的某管脚电平拉低、锁死输出所导致的。在检查PCBA外观时发现，芯片管脚焊点边缘表面被白色斑状物所覆盖，斑状物轮廓近似圆形，边缘轮廓清晰，而且均与引脚覆铜区相衔接，如图2所示。当把问题焊点间的白色斑点用刀片划断，芯片功能便恢复了正常，如图3所示。说明，故障的形成与焊点间的白色物质有直接关系。
图2：斑状物在二引脚间连成片
图3：划断白色斑点后故障消失
对白色斑状物做成分分析，发现主要成分与助焊剂成分高度一致。残留原因是在回流焊过程，随炉温增长，熔融焊料沿引脚向上爬升润湿，当熔融焊料爬升过高接触了封装体时，便将助焊剂也带到了IC封装引脚的根部，由于工艺参数不恰当，导致助焊剂未挥发完全。又因为焊料中含铅，助焊剂残留物中的活性物质氯（Cl）首先与焊料中的铅（Pb）起化学反应，形成白色粉点状的碳酸铅（PbCO3），不断地消耗掉焊料中的铅，使覆盖在引脚接合部的焊料层不断地遭到破坏，而氯在该化学反应中却不会损失（图4），直至引脚局部露出铜（Cu）。此时氯便开始与铜起化学反应生成白色的氯化亚铜（Cu2Cl2）结晶体，此时氯不断地被消耗，更多的铜被暴露出来。又因为芯片工作时电流在IC引脚间产生电场，铜离子迁移现象进一步加剧，最终导致了铜离子的定向迁移形成了更多的氯化亚铜，也就是图2中所示的白色晶体物质，而这些物质的不断累积在IC封装外壳，导致引线间发生电泄漏，拉低引脚电位，导致器件不工作。图5是清洗后的引脚，可以发现引脚已经被腐蚀了。
图4：钎料腐蚀的简化循环过程
图5: 器件故障点管脚的腐蚀外观
本文通过两节内容对MIL-PRF-38535的引脚材质和涂覆工艺进行了说明，并结合了一个真实案例说明引脚在实际应用中各种材质所产生复杂的电与化学反应。因此为了保证产品的高可靠，不仅应该在选择芯片引脚镀层时花一些精力，还需要在电装及使用过程中关注引脚镀层与其他物质之间是否会产生反应，降低可靠性。
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