焊点微结构与强度之关系 TCPA 技术顾问 白蓉生.pdf

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焊点微结构与强度 之关系 白蓉生 2008.03.10 1 一. 界面合金共化物 Intermetallic Compound IMC 二. 无铅焊接的IMC 与强度 2 一. 界面合金共化物 Intermetallic Compound IMC 3 题解 IMC系Intermetallic compound之缩写 ,笔者将之译为“界面合金共化物”。广义上说 是指某些金属相互紧密接触之接口间 ,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”,并可写出式分子式。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,特整理多篇论文之精华以诠释之。 一. 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 焊底金属之间,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接口之间含锡的IMC , 将不深入涉及其他的IMC 。 4 图1. 必须先生成良性的IMC才会有良好的焊接,但老化后另有恶性的IMC出现 二. 一般性质 由于IMC是一种可以写出分子式的“准化合物” ,故其性质与原来的金属已大不相同, 对整体焊点强度也有不同程度的影响,首先将其特性简述于下: IMC在PCB高温焊接或锡铅重熔(即熔锡板或喷锡)时才会发生,有一定的组成及晶体结构, 且其接口之生长度与温度成正比,常温中较慢。一直到出现全铅的阻绝层(Barrier)才会 停止(见图6) 〉过程中还会向主体焊料内崩离(Spalling) ,尤以波焊最明显。 5 图2. 此为铜面焊点老化后高倍微切片中所看到各层次不同的组成 IMC本身具有不良的脆性,将会损及焊点之机械强度及寿命,其中尤其对抗疲劳强度(Fatigue Strength)为害最烈,且其熔点也较原来金属还要更高。 6 图3. 当焊点或喷锡层经长时间老化而IMC逐渐增厚之际其接口结强度亦逐渐下滑 老化中由于焊锡在接口附近的锡原子会往基地金属移动,而与被焊金属组成IMC,使得该处的 锡量减少,相对的使得铅量之比例增加,以致使焊点展性增大(Ductillity)及固着强度降低, 久之甚至带来整个焊锡体的松驰。 一旦焊垫上原有的锡层或喷锡层,其与底铜之间已出现“较厚”间距过小的IMC后,对该焊垫 以后再续做补焊时会有很大的妨碍;也就是在焊锡性(Solderability)或沾锡性(WettabilIty) 上都将会出现劣化的情形。 焊点中由于锡铜结晶或锡银结晶的崩落或渗入,使得该焊锡本身的硬度也随之增加,久之会 有脆化的麻烦。 IMC会随时老化而逐增厚,通常其已

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