表面和界面是材料科学与工业技术应用中的两个重要概念。表面是物质与外界接触的部分,而界面则是两种不同物质相接触的地方。任何材料都有与外界接触表面或与其他材料区分的界面,在大力发展的电子装联技术中,材料表界面的问题更为突出。因此,材料表界面的研究在电子产品中的地位越发重要。

电子产品中表面镀层/涂层的腐蚀、磨损,粘接/焊接部位的断裂等都是零件表面材料或结合界面材料变异的过程,要实现对它们的管控,就需要了解表面和界面相关的知识。在物质科学中,表面和界面的性质主要表现在以下三个方面:

1. 相变化

如SMT生产中的焊接工艺的相变化:

锡膏中的金属成份(主要是Sn)与PCB的焊盘(Cu)在高温条件下生成新的相(IMC层),如图1所示。

图1:焊料与焊盘焊接后形成IMC层

如PCBA表面的涂覆层:

在化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)过程中,气态的反应物质在表面上凝聚成固态的薄膜,如图2所示。

图2:CVD: 涂覆后的PCBA

2. 化学变化

表面和界面也是化学反应发生的场所。表面上的化学反应可以发生在固体表面、液体表面或气体表面,例如催化反应、电化学反应等。在界面上,不同相之间的相互作用导致界面区域的化学反应发生变化,例如,在液体-液体界面上,可以发生离子交换、化学平衡调整等反应。

如在PCB洁净的焊盘基材(Cu)表面通过电化学反应可以形成新的保护镀层(ENIG),如图3所示。

图3:PCB焊盘镀层:ENIG

3. 物理相关性

表面和界面的特殊性质还与材料的吸附、解吸性能、防腐、耐磨、粘附、润湿性等有关。例如,在材料的表面和界面处,由于表面能的存在,物质的吸附和解吸性能会受到影响,从而影响材料的化学性质和物理性质。此外,表面和界面的特殊性质还会影响材料的防腐、耐磨、粘附、润湿性等性能,从而影响材料的使用寿命和性能,如图4所示。

图4:表面能降低导致的“缩锡”现象 

综上所述,表面和界面是电子装联技术中的不可忽略的领域。通过对表面和界面进行科学的研究和管控,可以有效解决电子产品出现的污染、腐蚀、磨损、粘接不良、断裂等失效问题或潜在风险,从而提高电子产品的装联品质与可靠性。

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