金屬間化合物IMC厚度

| 項目背景

近年來，隨著電子工業(yè)無鉛化的要求，研究以Sn為基體的無鉛釬料與基板的界面反應(yīng)日益增多。在電子產(chǎn)品中，常常以銅為基板材料，焊接和服役過程中焊料與銅基板之間界面上反應(yīng)是引起廣泛關(guān)注的研究課題。由于SnAgCu無鉛焊料中Sn的含量較高，焊接溫度也比較高，導(dǎo)致了焊點中Cu的溶解速度和界面金屬間化合物的生長速度遠(yuǎn)高于SnPb系焊料。相關(guān)研究表明，焊點與金屬接點間的金屬間化合物的形態(tài)和長大對焊點缺陷的萌生及發(fā)展、電子組裝件的可靠性等有十分重要的影響。

 | 項目概述

1、能夠被錫鉛合金焊料(或稱焊錫Solder)所焊接的金屬，如銅、鎳、金、銀等，其焊錫與被焊盤金屬之間，在高溫中會快速形成一薄層類似"錫合金"的化合物。

2、此物起源于錫原子及被焊金屬原子之相互結(jié)合、滲入、遷移、及擴散等動作，而在冷卻固化之后立即出現(xiàn)一層薄薄的"共化物"，且事后還會逐漸成長增厚。

3、此類物質(zhì)其老化程度受到錫原子與底金屬原子互相滲入的多少，而又可分出好幾道層次來。這種由焊錫與其被焊金屬界面之間所形成的各種共合物，統(tǒng)稱IMC。

| 服務(wù)產(chǎn)品/領(lǐng)域

PCBA、PCB、FPC等。

| 測試步驟

對樣品進行切割、鑲嵌、研磨、拋光、微蝕后，表面鍍鉑金，按照標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程放入掃描電子顯微鏡樣品室中，對客戶要求的測試位置進行放大觀察并測量。

| IMC的特點

（1）其生長速度與溫度成正比，常溫中較慢。

（2）在室溫下脆性大，延展性差，很容易斷裂。

（3）低密度。

（4）高熔點。

| IMC對焊接的影響

微小厚度的IMC都會形成焊料與基板之間穩(wěn)固的連接，較厚的IMC在熱循環(huán)的作用下會引起界面處的應(yīng)力集中，導(dǎo)致脆性斷裂，甚至帶來整個焊錫體的松弛。IMC對焊接性能的影響是很復(fù)雜的，IMC越厚，焊點在熱疲勞測試中越容易失效，其失效模式主要是斷裂，裂紋通常發(fā)生在焊點內(nèi)部IMC與焊料形成的界面處。

一旦焊盤原有的熔錫層或噴錫層，其與底銅之間已出現(xiàn)較厚間距過小的IMC后，對該焊墊再續(xù)作焊接時會有很大的妨礙，也就是在焊錫性或沾錫性上都將會出現(xiàn)劣化的情形。

| IMC的形成和生長規(guī)律

SnAgCu界面IMC的形成分二個階段，第一階段是焊接過程中Cu基板與液態(tài)焊料之間形成的IMC，第二階段是焊后服役過程中Cu基板與固態(tài)焊料之間形成的IMC。一般認(rèn)為，焊接過程中IMC的形成是界面化學(xué)反應(yīng)為主導(dǎo)的機制，服役過程中IMC的演變是元素擴散為主導(dǎo)的機制。這兩個階段的IMC的形貌和生長動力學(xué)有十分明顯的差別。

焊點形成后，SnAgCu-Cu界面存在Cu6Sn5和Cu3Sn兩種金屬間化合物。Cu6Sn5位于焊料一側(cè)，較厚，呈扇貝形向液態(tài)的焊料中生長，導(dǎo)致IMC和焊料邊界的粗糙形貌，在焊接過程中形成；Cu3Sn位于Cu基板和Cu6Sn5之間，較薄 ，在服役過程中形成。

焊接過程中，Cu基板與液態(tài)焊料發(fā)生冶金接觸后，固態(tài)Cu向液態(tài)焊料中溶解，緊鄰Cu基板的液態(tài)焊料中便形成了一層飽和的Cu，Cu的溶解達(dá)到局部平衡狀態(tài)時，IMC便在此形成。Cu6Sn5的形成，消耗了飽和態(tài)的液態(tài)焊料中的Cu，隨著Cu6Sn5的結(jié)晶和相互連接，在Cu基板和焊料的界面上形成了一層連續(xù)的IMC，這層連續(xù)分布的IMC阻斷了Cu 基板向液態(tài)焊料進一步溶解的通路。Sn和Cu6Sn5處于平衡狀態(tài)，固態(tài)Cu與Cu6Sn5層的界面為非平衡狀態(tài)。一旦溫度足以激活Cu原子與Sn原子反應(yīng)，在Cu基板與Cu6Sn5層的界面上便會依賴固相擴散形成更穩(wěn)定的Cu3Sn。

焊接過程中Cu基板與液態(tài)焊料之間形成的IMC主要由界面化學(xué)反應(yīng)決定，目前沒有可以描述此過程中的IMC生長規(guī)律的理論和方法。焊后服役過程中Cu基板與固態(tài)焊料之間形成的IMC主要由元素擴散為主導(dǎo)，F(xiàn)ick擴散定律被應(yīng)用于描述這一階段IMC的生長規(guī)律，IMC的厚度為L2=Dt，D為擴散系數(shù)，t為擴散時間。

| 如何適當(dāng)控制IMC

Au/Ni/Cu三層結(jié)構(gòu)是一種廣泛應(yīng)用在電子封裝器件中采用的焊盤結(jié)構(gòu)。 Au層作為Ni表面的保護膜，具有良好的導(dǎo)電性能、潤濕性能和防腐蝕性能等。Ni層由于在釬料中溶解速率很慢，可作為Cu層的阻隔層以防止基材Cu與焊錫的反應(yīng)。

另外，在化學(xué)鍍Ni工藝中，鍍層中含有一定量的P元素。研究發(fā)現(xiàn)，在回流焊過程中，P不會溶入焊料，并且在Ni層與IMC層形成由Ni，P和Sn富集的高應(yīng)力層。P的含量對IMC的厚度有一定影響，鍍層中P含量較高時，形成在Ni層和IMC之間的富P層有效的阻止了Ni參入反應(yīng)，減少IMC生成幾率，從而降低了IMC厚度。

| 美信優(yōu)勢

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