imc生长特征
3页1、定义定义 指焊锡与被焊底金属之间,在热量足够的条件下,锡原子和被焊金属原子(如铜、镍) 相互结合、 渗入、 迁移及扩散等动作, 会很快在两者之间形成一层类似 “锡合金” 的化合物, 称为金属间化合物(intermetallic compound,IMC) 。 IMC 以锡铜之间形成良性 Cu6Sn5 和恶性 Cu3Sn 最常见;必须先生成良性的 IMC 才会有 良好的焊接,但老化后与铜底之间会生成恶性 IMC。 常见的 IMC 1 1IMCIMC 形貌形貌 下图为一组 IMC 观察的典型图片。 2.IMC2.IMC 的性质的性质 由于 IMC 曾是一种可以写出分子式的” 准化合物” , 故其性质与原来的金属已大不相同, 对整体焊点强度也有不同程度的影响,首先将其特性简述于下: IMC 在 PCB 高温焊接或锡铅重熔(即熔锡板或喷锡)时才会发生, 有一定的组成及晶体结 构,且其生长速度与温度成正比,常温中较慢。一直到出现全铅的阻绝层(Barrier)才会停 止。 IMC 本身具有不良的脆性,将会损及焊点之机械强度及寿命,其中尤其对抗劳强度 (Fatigue Strength)危害最烈,且
2、其熔点也较金属要高。 由于焊锡在介面附近的锡原子会逐渐移走,而与被焊金属组成 IMC,使得该处的锡量减 少,相对的使得铅量之比例增加,以致使焊点展性增大及固着强度降低,甚至带来整个焊锡 体的松弛。 一旦焊垫原有的熔锡层或喷锡层,其与底铜之间已出现”较厚”间距过小的 IMC 后,对 该焊垫以后再续作焊接时会有很大的妨碍;也就是在焊锡性(Solderability)或沾锡性 (Wettability)上都将会出现劣化的情形。 焊点中由于锡铜结晶或锡银结晶的渗入, 使得该焊锡本身的硬度也随之增加, 久之会有 脆化的麻烦。 3. IMC3. IMC 对焊接性能的影响对焊接性能的影响 IMC 对焊接性能的影响是很复杂的,IMC 越厚,焊点在热疲劳测试中越容易失效,其失 效模式主要是断裂,裂纹通常发生在焊点内部 IMC 与焊料形成的界面处,在焊料内部接近 IMC 边界处, IMC 层内部, 所形成的金属间化合物的作用主要是形成焊料与基板之间的连接。 IMC 是脆性的,而焊料是软的,微小厚度的 IMC 都会形成稳固的连接,较厚的金属间化合物 在热循环的作用下会引起界面处的应力集中,导致脆性断裂。 4
3、. 4. 如何适当控制如何适当控制 IMC IMC 焊料与焊盘发生反应在界面处形成一定厚度的金属间化合物, 表明界面实现了较好的润 湿和连接,但是金属间化合物在低温下较脆,裂纹容易在界面处萌生和扩展,因此该界面层 是金属体系失效的潜在因素。 因此,如何适当的控制 IMC 成为急需解决的首要问题。 Au/Ni/Cu 三层结构是一种广泛应用在电子封装器件中采用的焊盘结构。 Au 层作为 Ni 表面的保护膜,具有良好的导电性能、润湿性能和防腐蚀性能等。Ni 层由于在钎料中溶解 速率很慢,可作为 Cu 层的阻隔层以防止 Cu6Sn5,Cu3Sn 等 IMC 的过量形成。 另外, 在化学镀 Ni 工艺中, 镀层中含有一定量的 P 元素。 研究发现, 在回流焊过程中, P 不会溶入焊料, 并且在 Ni 层与 IMC 层形成由 Ni, P 和 Sn 富集的高应力层。 P 的含量对 IMC 的厚度有一定影响。但镀层中 P 含量较高时,形成在 Ni 层和 IMC 之间的富 P 层有效的阻止 了 Ni 参入反应,减少 IMC 生成几率,从而降低了 IMC 厚度。 5. 5. 结论结论 电子封装的无铅化是新一代微电子产品的发展趋势 SnAgCu 合金是公认的最有可能替代 SnPb 焊料的无铅焊料。 已有的研究表明, SnAgCu 焊料合金与 Cu 基板间在焊接和使用过程中 生成并生长的金属间化合物对界面的强度和破坏行为有重要的影响。焊接过程中界面 IMC 的形成保证了焊料和基板的冶金结合, 而使用过程中 IMC 的过度生长导致了界面的弱化机械 强度甚至开裂。 目前,对 SnAgCu-Cu 界面 IMC 生长的机理虽然从扩散理论上有一定的认识,但对 IMC 生长形貌及其对破坏行为的影响还缺乏定量表征的合适参量, 对 SnAgCu-Cu 界面 IMC 生长动 力学的研究才刚刚开始。 对上述问题的深入研究一方面有利于在理论上揭示 IMC 的形成与长 大机理,确定表征 IMC 生长的合适参量,另一方面对预测 SnAgCu 无铅焊料焊接器件的可靠 性有重要意义。金属间化合物(IMC)广泛应用于工业生产,尤其是新材料领域,具有极诱 人的应用前景。 6. 6. 参考标准参考标准 JYT 010-1996 分析型扫描电子显微镜方法通则 GB/T 16594-2008 微米级长度的扫描电镜测量方法通则
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