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金属间化合物(IMC)对焊点质量影响之浅析
录入时间:2019/2/12 15:22:04

 

许琳

深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司

摘要:电子产品可靠性核心是印制电路板组件PCBA(Printed Circuit Board Assembly),而印制电路板组件的可靠性主要包括PCB的可靠性,电子器件的可靠性及焊点互联的可靠性,作为电装厂最关心的是自身加工的可靠性,即焊点互联的质量,而评价一个良好焊点的关键是是否生成了合适的金属间化合物(Intermetallic Compound , IMC)。本文通过介绍金属间化合物(IMC)的概念、生长规律、评价方法及对IMC的有效控制从而来提升焊点质量,作者在文章中给出了自己的理解与方法,供大家学习参考。

   关键词: 金属间化合物(IMC) 生长规律 金相形貌  

 

1 引言

在现代电子装联工艺中,电子组装焊接使用的是以锡基为主的软钎料,通过熔融的钎料合金与被焊金属表面之间生成金属间化合物(IMC),从而实现被焊接金属之间的电气和机械连接。而这个过程经过了表面润湿、原子间扩散、溶解、冶金结合,涉及到物理学、化学、冶金学、材料学等多门学科,是一个种复杂的化学反应,而能否形成合适的金属间化合物(IMC)是良好焊点形成的标志。

焊点质量的判定,业内通常采用IPC的外观检验标准,特别是量化指标“接触角”,但仅是通过焊点的外观判定显然是不完善的,还需观察焊点的微观形貌,金属学基本原理指出,焊点的显微结构决定其性能。下述这个切片实例就可以说明,从外观上判定焊点外观形貌良好,接触角小于90度,按IPC的标准判定是合格的,但我们对该焊点做切片后观察金相形貌时发现,该焊点根本没有形成金属间化合物(IMC),没有达到焊接的目的,牢固的连接起两个被焊接物,这个焊点是不良的。

2 金属间化合物(IMC

2.1 金属间化合物定义

金属间化合物(IMC)是指两个或更多的金属组元按比例组成的具有金属基本特性和不同于其组元的长程有序晶体结构的化合物。简单的讲就是由金属元素按各种原子量比以化学结合方式结合在一起的化合物。

要得到良好的焊接效果,焊料和母材必须发生形成牢固结合的冶金反应,在界面处形成合金层,即金属间化合物(IMC),而IMC的形成与否及质量好坏,对焊点的机械、电气性能有着关键性影响。

2.2 焊点内部构造

以下是焊点内部构造的金相图,可以观察到焊点的微观形貌,如图1所展示:

                  图1 焊点内部构造图

从内部构造看,金属间化合物(IMC)是连接两种材料的关键,起着持久牢固的机械和电气连接目的,没有生成或者没有形成良性的金属间化合物(IMC)对一个焊点来说是灾难性的。

2.3 焊料与母材形成的金属间化合物

不同母材和焊料所形成的化合物是不同的,以下是电子装联业主要使用金属与焊料合金元素生成的金属间化合物(IMC),具体如下表,本文主要讨论装联时常见的Sn-Cu界面与Sn-Ni界面所生成的合金层。

金属间化合物(IMC)一般是既硬又脆的,厚度越厚反而其焊点强度越差,图2就是金属间化合物厚度与抗拉强度的关系。

图2 金属间化合物厚度与强度的关系     

3 金属间化合物(IMC)的生长规律

金属间化合物的生长厚度取决于许多因素,但主要服从于Fick扩散定律,IMC厚度L与扩散常数D和受热时间t的平方根成正比关系,而扩散常数D又与绝对温度T成正比的指数函数关系,因此,为了抑制IMC的过快生长,控制好焊接温度不能过高,加热时间不能过长是非常重要的,IMC厚度L随温度和时间的演变如下:

L=√Dt(1)

                 D =D0exp(-Q/RT)(2)

    电子装联焊接和服役过程中,焊料与母材Cu等金属交互作用导致了金属间化合物的形成与生长,一般认为,焊接过程中IMC的形成是界面化学反应为主导的机制,服役过程中IMC是元素扩散为主导的机制。

4 金属间化合物(IMC)的评价

什么样的金属间化合物(IMC)是我们所追求的呢,业内比较公认的说法是,焊接后焊点界面长出合金层IMC,且长得平坦、均匀、连续即可,具体来说,主要用以下3点来评价。

4.1 厚度均匀

金属间化合物(IMC)首先要考虑的是其厚度,因为IMC厚度

多少将直接决定焊点强度的大小。

4.1.1 IMC厚度典型值

针对IMC厚度,电装业内没有具体的标准。德国ERSA研究所的研究表明,生成的金属间化合物厚度在4um以下时,对焊点强度影响不大。日本学者管沼克昭从可靠性观点出发,归纳出理想界面的质量模型(图3),认为IMC厚度应小于5um。理论界虽说法不一,但现在业内比较认可的观点是,IMC的平均厚度在1~4um,且最低值不低于0.5um是比较良性的合金层。太薄的合金层(<0.5um)焊点可能呈冷焊状,强度不足,而太厚时(>4um)结构疏松,合金层硬度增加,失去弹性发脆,强度变小。

IMC厚度会根据Sn基焊料结合的金属界面不同有所不同,根据业内实践数据,常见Sn-Cu和Sn-Ni的合金层的最宜厚度如下:

① Sn-Cu合金层的厚度控制在1~4um;

② Sn-Ni合金层的厚度控制在1~2um。

这两种IMC合金层存在差异的原因主要是扩散能的差异所致,Sn对Cu的扩散活化能为45Kcal/mol,而Sn对Ni的扩散活化能为65.5Kcal/mol。

 

图3 理想焊点质量模型

4.1.2 IMC厚度测量

IMC厚度测量理论上采取等间距的测试方法,一张图上取5~6个点,最后取中位值或者平均值,但业内一般取3点,最大值、中间值和最小值,再做算数平均数,具体如下表所示。

4.2 形貌良好

只是测试IMC的厚度是不够的,下面的这个案例就可以说明问题。样品1与样品2都为Sn-Cu界面,两个界面所形成的合金层的厚度值近似,都符合典型值要求,但两者的形貌却差异很大,样品1平坦、连续、均匀,而样品2的合金层明显断开,不连续,这种合金层的可靠性是得不到保证的。

    良性的IMC的形貌是成扇贝状,连续、均匀的界面,但随着焊接温度、时间及扩散的增加,IMC加速生长,形貌从最初的扇贝状转变成屋脊状,最终形成恶性的棱镜状,其所承受的内应力在增加,机械强度在弱化,变化过程如下所示。

金属间化合物形貌粗化后,特别是形成棱镜状后所受应力增加,更容易出现应力集中,图5就是粗化后合金层应力分布。

图4 金属间化合物粗化

4.3 结构成分合适

金属间化合物的厚度与温度和时间的平方根成线性增长,界面间的持续扩散不仅会导致IMC厚度的增加,而且会导致 IMC结构与成分的变化,而这样的IMC层,从厚度及形貌判定可能是良好,但是其结构成分已由良性转向了恶性,这一点是需要引起注意的,下表就是Sn-Cu与Sn-Ni界面合金层随时间推移,其结构与成分发生变化的过程。

IMC合金层成分的确定,工业上用金相、电镜、能谱,根据金相形貌,元素比例就可以判断了。更准确用于科学研究的方法可以用TEM、XRD和EBSD等方法,但制样会比较困难,一般用的比较少。  

5.  金属间化合物的控制思路

是否生成合适的金属间化合物是判定一个焊点是否良好的标志,也是焊点是否可靠性的标志。在焊接过程中必须要生成这一物质,但又不能太厚,要得到合适的IMC必须从其扩散机理出发,理解IMC层固有的性质,从焊接工艺、焊料成分、焊接母材、生产管控等维度出发给控制思路。

5.1 焊接工艺控制

   根据金属间化合物的生长规律可知,IMC生成是与时间与温度密切相关的,而焊接过程中的热输入的多少将直接影响到IMC的最终形貌,所以通过优化焊接工艺参数(炉温曲线等)将可以得到我们所需要的良性IMC合金层,下图是HASL板不同次数过炉后IMC厚度变化图,从图上可以明显看出,热输入越多,厚度成线性增长。

但需要注意不适当的热输入,会造成偏析、富集的出现,如热输入过少,造成AuSn4的游离式化合物的富集,而热输入过多,会出现Pb、P元素的富集,具体见下表。

5.2 焊料合金成分选择

锡基焊料中,锡含量越高,在同样参数条件下,其生成的IMC合金层越厚(如图5),在无铅高锡焊接条件下,由于焊接温度的提升,焊接时间的加长,所以注定无铅焊接的IMC厚度是要高于有铅焊接。

      图5 不同锡含量的焊料生长图

为了抑制IMC的过快生长,我们可以改变焊料的合金成分去实现,其中比较典型的例子就是HASL板上常使用的日秀的SN100CL

焊料。这款焊料是在SnCu系焊料的基础上增加了Ni、Ge,其中Ni的参与,会遏制IMC的生长,机理是会生产(Cu,Ni)6Sn5的合金层,该合金层为六方晶体,相比Cu6Sn5的六方体及劣质的Cu3Sn更致密,合金更稳定,有助于一种抑制合金生长,更有利于焊接。

5.3 焊料母材及镀层

焊接母材及可焊性镀层不同,在同样工艺条件下所生成的IMC厚会差异很大,Sn-Cu界面与Sn-Ni界面所形成IMC就是很好的证明。

① 对Sn3.5Ag焊料,在OSP、ENIG两种不同的涂覆工艺下所形成的IMC厚度差异比值为:IMC(OSP)/IMC(ENIG)=2.75

② 对SAC405焊料,在OSP、ENIG两种不同的涂覆工艺下所形成的IMC厚度差异比值为:IMC(OSP)/IMC(ENIG)=2.33

图6不同母材镀层对IMC厚度的影响

5.4 生产返修管控

    焊点的返修会在不同程度上降低产品的可靠性,根据工厂内部功能失效产品的数据统计,其中焊点造成的产品失效品有60%以上是修理过的焊点,特别是返工工艺评估不到位时尤甚,所以强烈建议若焊点满足IPC的外观标准要求,即便有些瑕疵也不要盲目的返修,不修理会可能会比修理的可靠性更好。返修焊点后会产生热输入,会增加IMC层的厚度,而厚度的增加会降低其强度,同时在返修过程中可能会出现其它位预计到的风险,所以返修前必须谨慎评估。

6  结束语

IMC的形成良好与否是判定一个焊点好坏的关键,也是影响焊点质量的关键因素。本文作者根据自身的实践经验以及业内同仁的观点做了整理总结,分享了IMC的产生机理、评价方法及控制其生长的思路,希望大家能有所收获。IMC形成与生长其实是一很复杂的过程,涉及到多个学科,希望有更多的研究人员对其做更进一步的理论研究,解开那些未解之谜,为电子产品焊接质量的提升做出贡献。

 

参考文献:

〔1〕 樊融融  中兴通信  现代电子装联工程应用1100问

〔2〕 顾霭云  焊点机理与可靠性分析 演讲PPT

〔3〕 王君兆  美信检测 关于焊点可靠性的一点见解 演讲PPT

作者简介:

     许琳,男,高级工程师,本科,广东省电子协会SMT专委会委员,从事PCBA电子装联十余年,主要负责过程品质管理,过程工艺优化以及板级失效分析等工作,发表技术论文多篇。


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