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IMC太厚or太薄均影响焊点可靠性,厚度到底多少才合适?

2018-11-08  浏览量:1019

IMC是什么?

 

专业文献指出:IMC是Intermetallic compound 的缩写,译为"介面合金共化物"。

 

广义上说是指某些金属相互紧密接触之介面间,会产生一种原子迁移互动的行为,组成一层类似合金的"化合物",并可写出分子式。

 

在焊接领域的狭义上是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物。其中尤以铜锡间之良性Cu6Sn5(Eta Phase)及恶性Cu3Sn(Epsilon Phase)最为常见,对焊锡性及焊点可靠度(即焊点强度)两者影响最大。

 

IMC的定义

♦ 能够被锡铅合金焊料(或称焊锡Solder)所焊接的金属,如铜、镍、金、银等,其焊锡与被焊盘金属之间,在高温中会快速形成一薄层类似"锡合金"的化合物。

 

♦ 此物起源于锡原子及被焊金属原子之相互结合、渗入、迁移、及扩散等动作,而在冷却固化之后立即出现一层薄薄的"共化物",且事后还会逐渐成长增厚。

 

♦ 此类物质其老化程度受到锡原子与底金属原子互相渗入的多少,而又可分出好几道层次来。这种由焊锡与其被焊金属界面之间所形成的各种共合物,统称IMC。

 

 

IMC对焊接可靠性至关重要!IMC太厚or太薄均会影响焊点可靠性:


IMC 太薄会形成焊接不良冷焊、虚焊、假焊等现象。

 

IMC太厚随着厚度的增加,也会引起焊点中的微裂纹萌生。当其厚度超过某一临界值时,就会表现出脆性,使焊点在服役过程中会经历周期性的应变而导致失效。过厚的IMC层会导致焊点产生裂纹,韧性和抗周期疲劳性下降,从而导致焊点的可靠性降低或是失效。

 

因此,在焊接过程中,IMC必须形成并具有适当的厚度。只有适量的IMC才可以起到提高焊接强度、阻碍焊料扩散和氧化的作用,那么IMC层的厚度到底多少才合适呢?

 

对于IMC层,会因为工艺的不同形成不同的IMC层。IMC通常在合金熔点之后即开始发生,其发生速度受温度(液相+N℃)和时间制约。一般IMC的厚度控制在1~3μm时有一个比较理想的机械强度。

 

另外,IMC在较高的温度下(环境、器件的热传导等)其厚度还会进一步的生长,在产品使用过程中IMC仍不断生长, 因此产品的可靠性问题就会在到达使用年限后出现。

 

如何了解自身产品的IMC层厚度是否达标呢?需要通过专业的检测设备进行测量,通过测量IMC厚度可预测焊点的可靠性强度,也可追溯工艺制造并改善优化,控制IMC层的厚度在合理范围内。 

 

典型IMC厚度测量案例

 

美信检测实验室收到客户送检样品为某同型号FPCA板两个,想通过测量指定位置的IMC层的厚度来了解该位置的焊点可靠性。

 

检测环境:环境温度  22.3℃;  湿度  52%R.H

 

检测标准:

IPC-TM 6502.1.1测试方法手册:手动微切片法

GB/T 16594-2008微米级长度的扫描电镜测量方法通则 

 

检测条件:

先将样品切割、冷镶、研磨、抛光、微蚀后,样品表面镀Pt30s,按照标准作业流程放入扫描电子显微镜样品室中对客户要求之检测位置进行放大观察与测量。 

 

按照客户要求对样品的C12和R1位置进行了测量:

 

样品1的C12位置 样品2的C12位置
样品1的R1位置 样品2的R1位置

 

                       

最终得到检测结果:

 

 

美信检测实验室能够通过专业的检测技术手段、先进的仪器设备和科学的检测方法/标准,精确测量产品的IMC厚度,同时我们的工程师还能通过专业的分析,追溯产品的制造工艺,并提出改善和优化的建议及方案,帮助企业将IMC层的厚度控制在合理范围内。

 

最后,我们的工程师分享了一个如何适当控制IMC层的知识点,供大家学习交流!

 

如何适当控制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。当镀层中 P含量较高时,形成在Ni层和IMC之间的富P层能有效的阻止Ni参入反应,减少IMC生成几率,从而降低IMC厚度。

 

(以上内容仅讨论含锡的IMC,将不深入涉及其他的IMC。)

 

下篇分享内容:你知道吗?紫外线不光对人体有伤害,产品也一样!

 

 

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