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金属间化合物,即Intemetallic Compound,缩写为IMC,我们通常把SMT加工厂的焊料与被焊金属界面上反应生成的IMC作为良好焊点的一个标志。
在各种SMT加工厂的焊料合金中,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,量很少的Cu和Ni也会参加IMC的结构。
SMT加工厂的界面金属间化合物(IMC)的形貌与焊后老化时间有关。常见的界面反应与IMC形貌如下。
1)Sn与Cu界面反应
Sn-Pb、SAC、Sn-Cu焊料与OSP、Im-Ag、Im-Sn及HASL的界面反应一一样,本质都是Sn与Cu的界面反应。
在200~ 350ºC范围内,Sn与Cu界面反应总会形成Cu6Sn5 、Cu3Sn的双层结构,如图1-41所示。在240~ 330ºC范围内,Cu6Sn5 和Cu3Sn同时生长,Cu6Sn5主要在Cu/Sn边界形成,Cu3Sn一般在Cu6Sn5与金属Cu边界形成,且在富Sn相中Cu6Sn5要比Cu3Sn生长快得多。另外,在再SMT加工厂的流焊接过程中,Cu6Sn5以扇贝形态生长, 晶粒粗化过程和扩散过程也发生在Cu6Sn5中。Cu3Sn 一般非常薄,约为0.2 ~ 0.5um,如果放大倍数≤ 1000,-一般看不到。一般认为Cu3Sn属于不好的组织,它使焊缝变得十分脆弱。
通常看到SMT加工厂的Sn-Pb与Cu表面形成的IMC形貌如图1-42所示。
2)Sn与Ni的界面反应
SMT加工厂的Sn-Pb焊料与ENIG的界面反应属于Sn与Ni的界面反应。由于Ni比较稳定,界面反应层与Cu相比一般薄得多。根据相图推测的反应结构为Ni3Sn/Ni3Sn2/Ni3Sn4,然而在实际的钎焊界面却看不到Ni3Sn,但在NiP合金镀层中,很容易观察到Ni3Sn4。
Sn与Ni形成的IMC为Ni3Sn4典型形貌如图1-43所示。
通常看到SMT加工厂的Sn-Pn与ENIG表面形成的IMC形貌如图1-44所示。
3) Sn-Cu-N的界面反应
SMT加工厂的SAC、SnCu焊料与ENIG的界面反应本质一样, 属于Sn、Cu与Ni的界面反应。
N与SAC反应,一次再流焊接,一般形成(Cu, Ni)3Sn4单层IMC,如图1-45。如果经过多次再流焊接,就会形成(Ni,Cu)3sn4与(Ca,Ni)6sn5的双层的IMC结构,这种结构的切片图形貌具有显著著特点,是薄的、连续的、灰白色的(Ni,Cu)3Sn4与独立块状( (即不连续)、暗灰色的(Cu, Ni)6Sns,如图1-58所示。许多案例表明,这种结构的焊点强度比较低,不耐冲击。
形成过程为:Sn与Ni形成Ni3Sn4→基材Cu通过Ni晶界扩散到Ni3Sn4,形成(Ni, Cu)3Sn4→焊料中富集的Cu与Ni3Sn4反应形成(Cu, Ni)6Sns,随着再流焊接次数的增加,不断长大,同时,(Ni,Cu)3Sn4基本维持原有尺度。
多次或长时间再流焊接条件下,SAC与ENIC表面形成的双层形貌如图1-46所示。
3)不良界面IMC的切片图
(1)块状化IMC,并不是一个专业术语,作者用它来描述(切片图呈现的形貌)一种超厚、超宽且有断续的IMC形态——扇贝形IMC组织粗大(W、h≥5μm)、连续层非常薄甚至个别地方断开(切片图,放大倍数≥1000),如图1-47所示。
图1-48所示为高温长时间再流焊接形成的焊点切片图,呈典型的块状化IMC结构。其BGA为SAC焊球、OSP焊盘处理工艺,焊接采用的是SnPb焊膏(混装工艺),焊接峰值温度为235ºC,217ºC以上时间为70s。测试表明其剪切强度比正常焊点低20%以上。
正常的IMC形貌应有比较厚的连续层,且扇贝形IMC是长在连续层以上的,是焊料周中Cu扩散的结果,如图1-49所示。
在Ni/SAC界面,如果再流焊接时间比较长也会形成块状化的IMC。如图1-50所示为电镀镍金工艺处理的BGA,在焊接峰值温度243ºC、217ºC以上焊接时间95s条件下形成的(Ni,Cu)3Sn4块状IMC形貌。此切片图来源于BGA掉落的样品,因此看不到BGA载板焊盘。
图1-50中的IMC组织并不相大,但符合块状化的特征。此类形貌的IMC不耐机械应力作用,如果SMT加工厂的pcba在生产周转、运输过程中不规范,很容易导致BGA类应力敏感元器件焊点的开裂。
块状IMC的形成机理还不清楚,可能是IMC高温熔解再结晶的结果,这可以解释连续层比较薄、块状化的形貌。
(2) 含Ag镀层QFN形成的富Pb焊缝,如图1-51所示。此图片来源于某早期失效单板上的QFN切片分析报告。由于焊缝中富Pb相组织的存在,降低了焊缝强度,导致早起失效。
(3) SMT加工厂的焊点中的Ag3Sn颗粒尺寸一般在1μm,并均匀地分布于Sn母相中,若随着Ag含量的增加,达到3.5%以上,则Ag3Sn晶粒会出现粗化,以致出现针状(切片图中的表现,实为板状,如图1-52所示),此时如果合金受到外力作用容易出现龟裂。
当Ag的含量低于3.0%时,在焊缝中几乎看不到Ag3Sn。只有当Ag的含量达到3.5%以上并在较长的焊接时间、缓慢冷却条件下,才能形成明显的Ag3Sn。
(4) Cu对IMC的影响
随着Cu含量的增加,界面IMC结构也发生变化,如图1-53所示。
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