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【SMT核心工艺】金属间化合物IMC(Intermetallic Compound)的理解

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发表于 2021-7-28 13:43 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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一、IMC4 Q) m# l, Q/ I: f
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3 A/ K3 o( u- A: V0 z  ]1、焊点的形成过程
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; J- v' B( |5 n% z/ ^1 A7 y% a
/ c3 F" R0 }# `2 @3 X7 o焊点的形成过程可分为三个阶段:焊料润湿(铺展)、基底金属熔合/扩散和金属间化合物(IMC)的形成。
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& |) Z9 B0 u6 @3 Z9 s2、金属间化合物
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金属间化合物,英文全称为Intermetallic Compound,缩写为IMC,它是界面反应的产物,也作为形成良好焊点的一个标志。" {4 C+ [& J; L  S6 ]7 G
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在各种焊料合金中,大量的Sn是主角,它是参与IMC形成的主要元素。其余各元素仅起配角作用,主要是为了降低焊料的熔点以及压制IMC的生长,少量的Cu和Ni也会影响IMC的结构。
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在有铅工艺条件下,锡铅焊料与Cu、Ni界面形成的IMC典型形态如下图所示。焊料中只有Sn参与IMC的形成,IMC的成分固定。
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. z; K: B5 p# f1 u% C  a7 v: {  S9 z# [; e! V5 F6 O+ {
在无铅工艺条件下,由于使用的无铅焊料种类比较多,IMC的成分与形态比较复杂。如在使用SAC305焊料时,焊料与Ni基界面形成的IMC为(Cu、Ni)6Sn5和(Cu、Ni)3Sn4双层三元合金层,如下图 所示,这点不同于有铅焊接。
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二、IMC的形成与发展
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普遍认为,很厚的IMC是一种缺陷。因为IMC比较脆,与基材(封装时的电极、零部件或基板)之间的热膨胀系数差别很大,如果IMC长得很厚,就容易产生龟裂。因此,掌握界面反应层的形成和成长机理,对确保焊点的可靠性非常重要!, N! z+ J7 r* c

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IMC的形成与发展,与焊料合金、基底金属类型、焊接的温度与时间以及焊料的流动状态有关。一般而言,在焊料熔点以下温度,IMC的形成以扩散方式进行,速度很慢,其厚度与时间开方成正比;在焊料熔点以上温度,IMC的形成以反应方式进行,温度越高、时间越长,其厚度越厚,如下图所示。因此,过高的温度、过长的液态时间,将会导致过厚的IMC。
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在有铅工艺条件下,由于有Pb的抑制作用,Cu与SnPb焊料形成的IMC一般不超过2.5μm。但在无铅工艺条件下,由于Cu在熔融的SAC305中的熔解度比在Sn63/Pb37中的熔解度高8.6倍,因而在与SAC反应时会形成较厚的IMC层,这点不利于无铅焊点的可靠性。1 ^& A+ x) b1 ~3 i

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还有一个现象值得进一步研究,就是当Cu与SAC305首次再流焊接(包括BGA植球过程)形成的IMC较厚时(≥10μm),如果再次过炉焊接,有可能形成超宽的、不连续的块状IMC,这是一种抗拉强度比较低的IMC组织,如果出现在BGA焊点上很可能带来可靠性方面的隐患。
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三、与界面扩散有关的断裂失效
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1、金脆失效
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如果Au太厚(针对电镀Ni/Au而言,一般应小于0.08μm),则在使用过程中,弥散在焊料中的Au会扩散到Ni/Sn界面附近,形成带状(Ni-Au)Sn4金属间化合物。该IMC在界面上的富集常常导致金脆失效。
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2、界面耦合现象
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PCB焊盘界面上的反应不但与本界面有关,也与器件引脚材料及涂层有关。如焊盘为Ni/Au,而器件引线为Cu合金时,Cu常常会扩散到Ni/Sn界面从而导致界面形成(Cu、Ni)3Sn4—(Cu、Ni)6Sn5,它会导致焊点大规模失效。9 r5 q/ @# l4 t- T4 {2 C

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  a$ c! s6 m9 Y" M% e3、kirkendall空洞
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: R3 O  K& S9 P3 e/ Q1 {% l# `- Y7 P$ T) M' a. ?
, J/ H& W  t% Q6 z, s6 v) C
ENIG镀层容易发生著名的kirkendall空洞。; y! y6 p; ~* X, o7 U2 j

+ I6 b- _9 c' J  w5 p, {
5 D0 ^% g, ?0 G& q3 h6 [# y' X

! s# @' U, {. N  k& R- Fkirkendall空洞与高温老化时间有关,时间越长,空洞越多。如果在125℃条件下,40天就会形成连续的断裂缝。
, N2 k$ o0 @4 D4 o0 \. C
% q0 o# K, r; ?( z) S
  {6 t  \; A' B; n( x
! N+ r4 ~: f4 M1 ^6 f7 ^  u6 F四、黑盘$ c% I$ I  y4 R* Y6 w5 c

9 A' {$ ~; f& p3 {/ V2 n' Z' a$ h# |8 p8 i4 l

. W' }* W5 F% r3 ]' `1、定义
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4 N/ ]8 o$ z8 \( w6 P7 z+ m- d" @" x
  X7 i( J* {3 d  s3 I
因为焊点断裂面呈灰色、黑色,所以被称为黑盘。
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. S: r* F6 Q% y$ h5 r* G与黑盘有关的断裂都发生在Sn—Ni界面的IMC下。焊盘颜色越深、IMC越薄,从黑色到黑灰色!3 A, m1 ~- j) `% L" e6 S
' P, M1 r/ y0 q

8 q2 N- V8 f- t4 L. ^( ]) i9 p
7 v+ q" p% b) l7 k( Z. v9 s2、与黑盘有关的三个典型特征
5 q  M# K* n) l6 G
4 A1 j  }; D" E0 m5 T. T2 Y" c6 ^# N) L1 A% w" P! O

) I6 t( `3 Y& F& V7 T1 A" p1)断裂面(IMC下)可以观察到腐蚀裂纹(泥浆裂缝),如下图所示。裂纹越多,焊点的连接强度越低(裂纹完全不润湿),也越难形成IMC。由于无铅焊点比较硬,受到应力后直接传导到界面,因此,无铅焊点因黑盘失效的情况更多见。9 v/ l$ q1 v# t/ D3 l" q+ |

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2)从磨光的横截面可以观察到“腐蚀”已经渗透,甚至穿透Ni层到Cu基体,俗称“金刺”特征。
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8 W) W3 J- E3 v. c6 N+ j2 O0 c/ f) Z7 W  v, O
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8 j- C$ J/ J# ~& O, B2 J, M  O% |3 g  ]$ x; h
3)Ni近表面P含量比较高(达到20%左右,为正常的两倍),但需要指出的是富磷不是导致焊点失效的直接原因。
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    2020-7-31 15:46
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    [LV.1]初来乍到

    2#
    发表于 2021-7-28 15:02 | 只看该作者
    普遍认为,很厚的IMC是一种缺陷。因为IMC比较脆,与基材(封装时的电极、零部件或基板)之间的热膨胀系数差别很大,如果IMC长得很厚,就容易产生龟裂。因此,掌握界面反应层的形成和成长机理,对确保焊点的可靠性非常重要!

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    3#
    发表于 2021-7-28 16:29 | 只看该作者
    在各种焊料合金中,大量的Sn是主角,它是参与IMC形成的主要元素。其余各元素仅起配角作用,主要是为了降低焊料的熔点以及压制IMC的生长,少量的Cu和Ni也会影响IMC的结构。+

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    4#
    发表于 2021-7-28 18:14 | 只看该作者
    断裂面(IMC下)可以观察到腐蚀裂纹(泥浆裂缝),如下图所示。裂纹越多,焊点的连接强度越低(裂纹完全不润湿),也越难形成IMC。由于无铅焊点比较硬,受到应力后直接传导到界面,因此,无铅焊点因黑盘失效的情况更多见。
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    [LV.10]以坛为家III

    5#
    发表于 2021-7-30 16:11 | 只看该作者
    写的确实很有深度和专业性很强,内容全面丰富,很有指导和实用价值,学习下

    该用户从未签到

    6#
    发表于 2021-7-30 17:27 | 只看该作者
    焊点的形成过程可分为三个阶段:焊料润湿(铺展)、基底金属熔合/扩散和金属间化合物(IMC)的形成0 s8 i) T! \( y3 B0 C& T9 r* ]* ?/ _
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    [LV.10]以坛为家III

    7#
    发表于 2021-8-5 15:29 | 只看该作者
    不错不错,写的很专业和很有深度,内容全面丰富,学习了
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