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一、IMC( H( X1 d' q" r* Y( b. x, r
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1、焊点的形成过程
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+ `- Y, V: j f3 u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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$ I! o- a, C M; n" w2、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。# ?5 v- i1 \8 `( a( a9 p M
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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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P0 w: L4 A; m! ^" g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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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! z% ?7 O; g2 s" d
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; o; v" ]: V; |; T4 E9 `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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+ G! L5 F; r6 Y9 j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。/ H' K3 z/ Y4 m0 |9 ^5 }5 x
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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。& L1 n' Y/ p8 J' z* d; p
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三、与界面扩散有关的断裂失效9 _! D8 Q7 |, v; c" @
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' b: X* P; j% Q1 E$ n2 s1、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。7 _" _- Z7 d) ?5 R2 U2 H% w2 C
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2、界面耦合现象
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$ E# k+ u$ E7 j! X) T$ m0 [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。
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5 g+ B! Q6 W8 b3、kirkendall空洞: p7 t% d. t6 E9 Q
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8 K3 s2 Q3 D) f2 @ENIG镀层容易发生著名的kirkendall空洞。
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; M: Q+ ~" {* P1 u5 y5 _0 nkirkendall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。
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四、黑盘
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, Q/ U/ o( }$ ? z5 l1、定义+ G% V; w$ C+ M7 d
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. S2 ^- A9 m* z) N8 j因为焊点断裂面呈灰色、黑色,所以被称为黑盘。
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( Q2 S+ w9 f* W1 q- b' \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!
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2、与黑盘有关的三个典型特征
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1)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。: P$ C) l2 g" ]1 {
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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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1 C7 `+ O0 B. \1 ?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。: D" H- \1 k2 N7 k- [0 ^$ t# l" ?( K
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