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IMC浅析

2017-07-24  浏览量:110

何静

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由于SnAgCu无铅焊料中Sn的含量较高,焊接温度也比较高,导致了焊点中Cu的溶解速度和界面金属间化合物的生长速度远高于SnPb系焊料焊点中的情况。 本文以SnAgCu系无铅焊料与Cu基板间的交互作用为例,介绍IMC的形成、形貌与性质。 

 

1. IMC的定义

金属间化合物简称为IMC,是指金属与金属、金属与类金属之间以金属键或共价键结合形成的有序晶体结构化合物。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,在两者之间形成一层类似“锡合金”的化合物。

 

2. IMC的特点

(1)其生长速度与温度成正比,常温中较慢。

(2)在室温下脆性大,延展性差,很容易断裂。

(3)低密度。

(4)高熔点。

 

3. IMC对焊接的影响

微小厚度的IMC都会形成焊料与基板之间稳固的连接,较厚的IMC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,甚至带来整个焊锡体的松弛。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。

 

一旦焊盘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,对该焊垫再续作焊接时会有很大的妨碍,也就是在焊锡性或沾锡性上都将会出现劣化的情形。

 

4. IMC的形成和生长规律

SnAgCu界面IMC的形成分二个阶段,第一阶段是焊接过程中Cu基板与液态焊料之间形成的IMC,第二阶段是焊后服役过程中Cu基板与固态焊料之间形成的IMC。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的演变是元素扩散为主导的机制。这两个阶段的IMC的形貌和生长动力学有十分明显的差别。

 

焊点形成后,SnAgCu-Cu界面存在Cu6Sn5和Cu3Sn两种金属间化合物。Cu6Sn5位于焊料一侧,较厚,呈扇贝形向液态的焊料中生长,导致IMC和焊料边界的粗糙形貌,在焊接过程中形成;Cu3Sn位于Cu基板和Cu6Sn5之间,较薄 ,在服役过程中形成。

 

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焊接过程中,Cu基板与液态焊料发生冶金接触后,固态Cu向液态焊料中溶解,紧邻Cu基板的液态焊料中便形成了一层饱和的Cu,Cu的溶解达到局部平衡状态时,IMC便在此形成。Cu6Sn5的形成,消耗了饱和态的液态焊料中的Cu,随着Cu6Sn5的结晶和相互连接,在Cu基板和焊料的界面上形成了一层连续的IMC,这层连续分布的IMC阻断了Cu 基板向液态焊料进一步溶解的通路。Sn和Cu6Sn5处于平衡状态,固态Cu与Cu6Sn5层的界面为非平衡状态。一旦温度足以激活Cu原子与Sn原子反应,在Cu基板与Cu6Sn5层的界面上便会依赖固相扩散形成更稳定的Cu3Sn。

 

除了上述两种IMC,此外还有空洞产生。Cu和Sn的扩散是非平衡扩散,从原子水平来看,因Cu基板向焊料中扩散而遗留在Cu基板表面上的原子空位并未由焊料中扩散来的Sn原子及时占据,便会在Cu3Sn界面上形成部分永久空位,这些空位的聚集便形成了空洞。空洞的形成和长大会引起Cu-Cu3Sn界面脱层。

 

焊接过程中Cu基板与液态焊料之间形成的IMC主要由界面化学反应决定,目前没有可以描述此过程中的IMC生长规律的理论和方法。焊后服役过程中Cu基板与固态焊料之间形成的IMC主要由元素扩散为主导,Fick扩散定律被应用于描述这一阶段IMC的生长规律,IMC的厚度为L2=Dt,D为扩散系数,t为扩散时间。

 

5. 如何适当控制IMC

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,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。

 

6. 总结

SnAgCu系焊料合金与Cu基板间在焊接中,形成的较薄的IMC层保证了焊料和基板的冶金结合,但服役过程中IMC的过度生长会导致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。

 

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