PCB中IMC的介紹參考word

1、PCB中IMC的介紹IMC是指介面合金共化物IMC系Intermetallic compound 之縮寫，筆者將之譯為”介面合金共化物”，可以簡稱“介金屬”。 IMC廣義上說是指某些金屬相互緊密接觸之介面間，會產(chǎn)生一種原子遷移互動的行為，組成一層類似合金的”化合物”，并可寫出分子式。在焊接領(lǐng)域的狹義上是指銅錫、金錫、鎳錫及銀錫之間的共化物。其中尤以銅錫間之良性Cu6Sn5(Eta Phase)及惡性Cu3Sn(Epsilon Phase)最為常見，對焊錫性及焊點可靠度(即焊點強度)兩者影響最大，特整理多篇論文之精華以詮釋之。 一、定義 能夠被錫鉛合金焊料(或稱焊錫Solder)所焊接的金屬，如

2、銅、鎳、金、銀等，其焊錫與被焊底金屬之間，在高溫中會快速形成一薄層類似”錫合金”的化合物。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。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介面之間所形成的各種共合物，統(tǒng)稱Intermetallic Compound 簡稱IMC，本文中僅討論含錫的IMC，將不深入涉及其他的IMC。 二、一般性質(zhì) 由于IMC曾是一種可以寫出分子式的”準(zhǔn)化合物”，故其性質(zhì)與原來的金屬已大不相同，對整體焊點強度也有不同程度的影響

3、，首先將其特性簡述于下： IMC在PCB高溫焊接或錫鉛重熔(即熔錫板或噴錫)時才會發(fā)生，有一定的組成及晶體結(jié)構(gòu)，且其生長速度與溫度成正比，常溫中較慢。一直到出現(xiàn)全鉛的阻絕層(Barrier)才會停止。 IMC本身具有不良的脆性，將會損及焊點之機械強度及壽命，其中尤其對抗勞強度(Fatigue Strength)危害最烈，且其熔點也較金屬要高。 由于焊錫在介面附近得錫原子會逐漸移走，而與被焊金屬組成IMC，使得該處的錫量減少，相對的使得鉛量之比例增加，以致使焊點展性增大(Ductillity)及固著強度降低，久之甚至帶來整個焊錫體的松弛。 一旦焊墊商原有的熔錫層或噴錫層，其與底銅之間已出現(xiàn)”較厚

4、”間距過小的IMC后，對該焊墊以后再續(xù)作焊接時會有很大的妨礙；也就是在焊錫性(Solderability)或沾錫性(Wettability)上都將會出現(xiàn)劣化的情形。 推薦精選 焊點中由于錫銅結(jié)晶或錫銀結(jié)晶的滲入，使得該焊錫本身的硬度也隨之增加，久之會有脆化的麻煩。 IMC會隨時老化而逐漸增厚，通常其已長成的厚度，與時間大約形成拋物線的關(guān)系，即： =k t， k=k exp(Q/RT) 表示t時間后IMC已成長的厚度。 K表示在某一溫度下IMC的生長常數(shù)。 T表示絕對溫度。 R表示氣體常數(shù)，即8.32 J/mole。 Q表示IMC生長的活化能。 K=IMC對時間的生長常數(shù)， 以nm / 秒或m

5、/ 日( 1m / 日=3.4nm / 秒。 現(xiàn)將四種常見含錫的IMC在不同溫度下，其生長速度比較在下表的數(shù)字中： 表1 各種IMC在不同溫度中之生長速度(nm / s) 金屬介面 20,100,135,150,170 1. 錫 / 金 40 2. 錫 / 銀 0.08 17-35 3. 錫 / 鎳 0.08 1 5 4. 錫 / 銅 0.26 1.4 3.8 10 注 在170高溫中銅面上，各種含錫合金IMC層的生長速率，也有所不同；如熱浸錫鉛為5nm/s，霧狀純錫鍍層為7.7(以下單位相同)，錫鉛比30/70的皮膜為11.2，錫鉛比70/30的皮膜為12.0，光澤鍍純錫為3.7，其中以最后

6、之光澤鍍錫情況較好。 三、焊錫性與表面能 若純就可被焊接之底金屬而言，影響其焊錫性(Solderability)好壞的機理作用甚多，其中要點之一就是”表面自由能”(Surface Free Energy，簡稱時可省掉Free)的大小。也就是說可焊與否將取決于： (1) 被焊底金屬表面之表面能(Surface Energy)， (2) 焊錫焊料本身的”表面能”等二者而定。 凡底金屬之表面能大于焊錫本身之表面能時，則其沾錫性會非常好，反之則沾錫性會變差。也就是說當(dāng)?shù)捉饘僦砻婺軠p掉焊錫表面能而得到負(fù)值時，將出現(xiàn)縮錫(Dewetting)，負(fù)值愈大則焊錫愈差，甚至造成不沾錫(Non-Wetting)

7、的惡劣地步。 新鮮的銅面在真空中測到的”表面能”約為1265達(dá)因/公分，63/37的焊錫加熱到共熔點(Eutectic Point 183)并在助焊劑的協(xié)助，其表面能只得380達(dá)因/公分，若將二者焊一起時，其沾錫性將非常良好。然而若將上述新鮮潔凈的銅面刻意放在空氣中經(jīng)歷2小時后，其表面能將會遽降到25達(dá)因/公分，與380相減不但是負(fù)值(-355)，而且相去甚遠(yuǎn)，焊錫自然不會好。因此必須要靠強力的助焊劑除去銅面的氧化物，使之再活化及表面能之再次提高，并超過焊錫本身的表面能時，焊錫性才會有良好的成績。 推薦精選四、錫銅介面合金共化物的生成與老化 當(dāng)熔融態(tài)的焊錫落在潔銅面的瞬間，將會立即發(fā)生沾錫(W

8、etting俗稱吃錫)的焊接動作。此時也立即會有錫原子擴散(Diffuse)到銅層中去，而銅原子也同時會擴散進(jìn)入焊錫中，二者在交接口上形成良性且必須者Cu6Sn5的IMC，稱為-phase(讀做Eta相)，此種新生”準(zhǔn)化合物”中含錫之重量比約占60%。若以少量的銅面與多量焊錫遭遇時，只需3-5秒鐘其IMC即可成長到平衡狀態(tài)的原度，如240的0.5m到340的0.9m。然而在此交會互熔的同時，底銅也會有一部份熔進(jìn)液錫的主體錫池中，形成負(fù)面的污染。 (a) 最初狀態(tài)：當(dāng)焊錫著落在清潔的銅面上將立即有-phase Cu6Sn5生成。 (b) 錫份滲耗期：焊錫層中的錫份會不斷的流失而滲向IMC去組新的

9、Cu6Sn5，而同時銅份也會逐漸滲向原有的-phase層次中而去組成新的Cu3Sn。此時焊錫中之錫量將減少，使得鉛量在比例上有所增加，若于其外表欲再行焊接時將會發(fā)生縮錫。 (c) 多鉛之阻絕層：當(dāng)焊錫層中的錫份不斷滲走再去組成更厚的IMC時，逐漸使得本身的含鉛比例增加，最后終于在全鉛層的擋路下阻絕了錫份的滲移。 (d) IMC的曝露：由于錫份的流失，造成焊錫層的松散不堪而露出IMC底層，而終致到達(dá)不沾錫的下場(Non-wetting)。 高溫作業(yè)后經(jīng)長時老化的過程中，在Eta-phase良性IMC與銅底材之間，又會因銅量的不斷滲入Cu6Sn5中，而逐漸使其局部組成改變?yōu)镃u3Sn的惡性-pha

10、se(又讀做Epsilon相)。其中銅量將由早先-phase的40%增加到-phase的66%。此種老化劣化之現(xiàn)象，隨著時間之延長及溫度之上升而加劇，且溫度的影響尤其強烈。由前述”表面能”的觀點可看出，這種含銅量甚高的惡性-phase，其表面能的數(shù)字極低，只有良性-phase的一半。因而Cu3Sn是一種對焊錫性頗有妨礙的IMC。 然而早先出現(xiàn)的良性-phase Cu6Sn5， 卻是良好焊錫性必須的條件。沒有這種良性Eta相的存在，就根本不可能完成良好的沾錫，也無法正確的焊牢。換言之，必需要在銅面上首先生成Eta-phase的IMC，其焊點才有強度。否則焊錫只是在附著的狀態(tài)下暫時冷卻固化在銅面上

11、而已，這種焊點就如同大樹沒有根一樣，毫無強度可言。錫銅合金的兩種IMC在物理結(jié)構(gòu)上也不相同。其中惡性的-phase(Cu3Sn)常呈現(xiàn)柱狀結(jié)晶(Columnar Structure)，而良性的-phase(Cu6Sn5)卻是一種球狀組織(Globular)。下圖8此為一銅箔上的焊錫經(jīng)長時間老化后，再將其彎折磨平拋光以及微蝕后，這在SEM2500倍下所攝得的微切片實像，兩IMC的組織皆清晰可見，二者之硬度皆在500微硬度單位左右。 推薦精選在IMC的增厚過程中，其結(jié)晶粒子(Grains)也會隨時在變化。由于粒度的變化變形，使得在切片畫面中量測厚度也變得比較困難。一般切片到達(dá)最后拋光完成后，可使用

12、專門的微蝕液(NaOH 50/gl，加1，2-Nitrphenol 35ml/l，70下操作)，并在超聲波協(xié)助下，使其能咬出清晰的IMC層次，而看到各層結(jié)晶解里面的多種情況。現(xiàn)將錫銅合金的兩種IMC性質(zhì)比較如下： 兩種錫銅合金IMC的比較 命名 分子式 含錫量W% 出現(xiàn)經(jīng)過 位置所在 顏色 結(jié)晶 性能 表面能-phase(Eta) Cu6Sn5 60% 高溫融錫沾焊到清潔銅面時立即生成 介于焊錫或純錫與銅之間的介面 白色 球狀 組織 良性IMC 微焊接強度之必須甚高 -phase(Epsilon) Cu3Sn 30% 焊后經(jīng)高溫或長期老化而逐漸發(fā)生 介于Cu6Sn5與銅面之間 灰色 柱狀 結(jié)晶

13、 惡性IMC 將造成縮錫或不沾錫 較低只有Eta的一半,非常有趣的是，單純Cu6Sn5的良性IMC，雖然分子是完全相同，但當(dāng)生長環(huán)境不同時外觀卻極大的差異。如將清潔銅面熱浸于熔融態(tài)的純錫中，此種錫量與熱量均極度充足下，所生成的Eta良性IMC之表面呈鵝卵石狀。但若改成錫鉛合金(63/37)之錫膏與熱風(fēng)再銅面上熔焊時，亦即錫量與熱量不太充足之環(huán)境，居然長出另一種一短棒狀的IMC外表(注意銅與鉛是不會產(chǎn)生IMC的，且兩者之對沾錫(wetting)與散錫(Spreading)的表現(xiàn)也截然不同。再者銅錫之IMC層一旦遭到氧化時，就會變成一種非常頑強的皮膜，即使薄到5層原子厚度的1.5nm，再猛的助焊劑

14、也都奈何不了它。這就是為什么PTH孔口錫薄處不易吃錫的原因(C.Lea的名著A scientific Guide to SMT之P.337有極清楚的說明)，故知焊點之主體焊錫層必須稍厚時，才能盡量保證焊錫性于不墜。事實上當(dāng)”沾錫”(Wetting)之初，液錫以很小的接觸角(Contact Angle)高溫中迅速向外擴張(Spreading) 地盤的同時，也另在地盤內(nèi)的液錫和固銅之間產(chǎn)生交流，而向下扎根生成IMC，熱力學(xué)方式之步驟，即在說明其假想動作的細(xì)節(jié)。 推薦精選五、錫銅IMC的老化 由上述可知錫銅之間最先所形成的良性-phase(Cu6Sn5)，已成為良好焊接的必要條件。唯有這IMC的存在

15、才會出現(xiàn)強度好的焊點。并且也清楚了解這種良好的IMC還會因銅的不斷侵入而逐漸劣化，逐漸變?yōu)椴涣嫉?phase(Cu3Sn)。此兩種IMC所構(gòu)成的總厚度將因溫度上升而加速長厚，且與時俱增。下表3.即為各種狀況下所測得的IMC總厚度。凡其總IMC厚度愈厚者，對以后再進(jìn)行焊接時之焊錫性也愈差。 表3. 不銅溫度中錫銅IMC之不同厚度 所處狀況 IMC厚度(mils) 熔錫板(指炸油或IR) 0.030.04 噴錫板 0.020.037 170中烤24小時 0.22以上 125中烤24小時 0.046 70中烤24小時 0.017 70中存貯40天 0.05 30中存貯2年 0.05 20中存貯5年

16、0.05 組裝之單次焊接后 0.010.02 錫銅IMC的老化增厚，除與時間的平方根成比例關(guān)系外，并受到環(huán)境溫度的強烈影響，在斜率上有很大的改變。 在IMC老化過程中，原來錫鉛層中的錫份不斷的輸出，用與底材銅共組成合金共化物，因而使得原來鍍錫鉛或噴錫鉛層中的錫份逐漸減少，進(jìn)而造成鉛份在比例上的不斷增加。一旦當(dāng)IMC的總厚度成長到達(dá)整個錫鉛層的一半時，其含錫量也將由原來的60%而降到40%，此時其沾錫性的惡化當(dāng)然就不言而喻。并由底材銅份的無限量供應(yīng)，但表層皮膜中的錫量卻愈來愈少，因而愈往后來所形成的IMC，將愈趨向惡性的Cu3Sn。 且請務(wù)必注意，一旦環(huán)境超過60時，即使新生成的Cu6Sn5也開

17、始轉(zhuǎn)變長出Cu3Sn來。 一旦這種不良的-phase成了氣候，則焊點主體中之錫不斷往介面溜走，致使整個主體皮膜中的鉛量比例增加，后續(xù)的焊接將會呈現(xiàn)縮錫(Dewetting)的場面。這種不歸路的惡化情形，又將隨著原始錫鉛皮膜層的厚薄而有所不同，越薄者還會受到空氣中氧氣的助虐，使得劣化情形越快。故為了免遭此一額外的苦難，一般規(guī)范都要求錫鉛皮膜層至少都要在0.3mil以上。 老化后的錫鉛皮膜，除了不良的IMC及表面能太低，而導(dǎo)致縮錫的效應(yīng)外，鍍銅層中的雜質(zhì)如氧化物、有機光澤劑等共鍍物，以及錫鉛鍍層中有機物或其它雜質(zhì)等，也都會朝向IMC處移動集中，而使得縮錫現(xiàn)象雪上加霜更形惡化。 推薦精選從許多種前人

18、的試驗及報告文獻(xiàn)中，可知有三種加速老化的模式，可以類比出上述兩種焊錫性劣化及縮錫現(xiàn)象的試驗如下 在高溫飽和水蒸氣中曝置1-24小時。 在125150的干烤箱中放置4-16小時。 在高溫水蒸氣加氧氣的環(huán)境中放置1小時；之后僅在水蒸氣中放置24小時；再另于155的干烤箱中放置4小時；及在40，9095%RH環(huán)境中放置10天。如此之連續(xù)折騰 約等于1年時間的自然老化。 在經(jīng)此等高溫高濕的老化條件下，錫鉛皮膜表面及與銅之介面上會出現(xiàn)氧化、腐蝕，及錫原子耗失(Depletion)等，皆將造成焊錫性的劣化。 六、錫金IMC 焊錫與金層之間的IMC生長比銅錫合金快了很多，由先后出現(xiàn)的順序所得的分子式有AuS

19、n，AuSn2，AuSn4等。在150中老化300小時后，其IMC居然可增長到50m(或2mil)之厚。因而鍍金零件腳經(jīng)過焊錫之后，其焊點將因IMC的生成太快，而變的強度減弱脆性增大。幸好仍被大量柔軟的焊錫所包圍，故內(nèi)中缺點尚不曝露出來。又若當(dāng)金層很薄時，例如是把薄金層鍍在銅面上再去焊錫，則其焊點強度也很快就會變差，其劣化程度可由耐疲勞強度試驗周期數(shù)之減少而清楚得知。 曾有人故意以熱壓打線法(Thermo-Compression，注意所用溫度需低于錫鉛之熔點)將金線壓入焊錫中，于是黃金就開始向四周的焊錫中擴散，逐漸形成如圖中白色散開的IMC。該金線原來的直徑為45m，經(jīng)155中老化460小時后

20、，竟然完全消耗殆盡，其效應(yīng)實在相當(dāng)驚人。但若將金層鍍在鎳面上，或在焊錫中故意加入少許的銦，即可大大減緩這種黃金擴散速度達(dá)5倍之多。 七、錫銀IMC 錫與銀也會迅速的形成介面合金共化物Ag3Sn，使得許多鍍銀的零件腳在焊錫之后，很快就會發(fā)生銀份流失而進(jìn)入焊錫之中，使得銀腳焊點的結(jié)構(gòu)強度迅速惡化，特稱為”滲銀Silver leaching”。此種焊后可靠性的問題，曾在許多以鈀層及銀層為導(dǎo)體的“厚膜技術(shù)”(Thick Film Technology)中發(fā)生過，SMT中也不乏前例。若另將錫鉛共融合金比例63/37的焊錫成分，予以小幅的改變而加入2%的銀，使成為62/36/2的比例時，即可減輕或避免發(fā)生

21、此一”滲銀”現(xiàn)象，其焊點不牢的煩惱也可為之舒緩。最近興起的銅墊浸銀處理(Immersion Silver)，其有機銀層極薄僅4-6m而已，故在焊接的瞬間，銀很快就熔入焊錫主體中，最后焊點構(gòu)成之IMC層仍為銅錫的Cu6Sn5，故知銀層的功用只是在保護(hù)銅面而不被氧化而已，與有機護(hù)銅劑(OSP)之Enetk極為類似，實際上銀本身并未參加焊接。 推薦精選八、錫鎳IMC 電子零件之接腳為了機械強度起見，常用黃銅代替純銅當(dāng)成底材。但因黃銅中含有多量的鋅，對于焊錫性會有很大的妨礙，故必須先行鍍鎳當(dāng)成屏障(Barrier)層，才能完成焊接的任務(wù)。事實上這只是在焊接的瞬間，先暫時達(dá)到消災(zāi)避禍的目的而已。因不久后鎳與錫之間仍也會出現(xiàn)IMC