焊接时的界面反应-焊接质量与金属间化合物

P~IPP-, 接时的 面 电子器件的焊接 主要包含两个过程 ，一是焊料 的熔 化和再结 晶过程 ．而另 一个则是焊料在 印刷 电路板焊 盘 (PCB Pad)界 面及元器件引脚(comPo— nent lead)界 面上的冶金化学反应．． 以焊料存 PCB焊 盘 的界 面反应 为例，当焊料 熔化后，界面 卜I的固液反应就开始 了。由于该反 应，焊料得以在焊盘 浸润并铺展，并形成冶金接 合从而实现界面连接 而反 应的产物 即为界 面上 形成连续 的金属间化合物(1 MC--Intermetallics．or inter—metall c compounds) 当分析焊点时 ，一个重 要方面即是检查界面上二金属间化合物(IMC)是否形 成。⋯般来讲 ．如果 IMC没有形成或没有连 续形 成，则说 明没有焊接好 ，可能形成虚焊 。反之 ．如果 界面上形成了完整 、连续的金属间化合物．则说明 焊接质量可靠 金属间化合物的 ⋯般特点是熔点高，晶体结构 对称性低 ，因而 比较脆 所以 一方 而金属间化合物 的形成是焊接质量可靠的标志，但另一方面．如果 金属间化合物太厚则会对焊点可靠性产少不良影 响。界面金属间化合物的形成及其在焊点服役过 程中的演化极为复杂，与焊料 、被焊接界面材料 、 成分 、印制电路板焊盘 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面涂层 、焊接手段 、焊接 工艺参数等密切相关．、对于 PBSn共晶焊料．230oC 峰值温度回流焊接 (reflow soldering)，通常形成的 IMC典型厚度在 1I·～3urn，可 以很容易用光学显微 镜进行观察和分析。相对而言，波峰焊 f~VttVe sol— dering)由于焊接时间短 ，形成的 IMC一般 比较薄， 常为 1tim左右或是亚微米，采用光学显微镜观察 比较困难，甚至使用 SEM也不易识别。由于 Ni与 焊锡的反应速度慢于 cI 和焊锡，因而 Nj焊盘上形 成的 IMC一般 比同样条件下 CI 焊盘上形成 的 IMC要薄，、对于铜焊盘和 PbSn焊料．新鲜铜表面或 使用 OSP涂层 的铜 焊盘 上的 IMC 一般比 HASI 涂 层铜 焊盘下形 成的 IMC更厚 高铅 焊料在铜焊盘 上通常形成 Cu3SI1 IMC而共 晶焊料 则一般形成 cu6sn5的 IMC。有时在 Cu6Sn5下面还可以观察到 一 层很薄的 Cu3Sn的 IMC 金属间化合物的厚度通常可以直接采用金相微 切片制备、然后使用高倍率光学显微镜或扫描电 子显微镜进行观察。可以使用图像处理软件来估 算 IMC的平均厚度 使用电子能谱(EDX)还可以 半定量分析 IMC的成分。结合相图知识和经验、可 以判定 1MC的类 型。 ；}{≈t‘ 是l、t．、·t“￡‘ ：； 波l { I 『 。 3 艘型 i。≥ 图 1为 一典 型 CuAgCu无铅 焊料 在 Cu／OSP界 面上形 成的界面金属 间化合物形貌 其中界面 l_ 连 续 层 为 Cu6Sn5而 焊 料 中 的 长 针 状 IMC 为 Ag3Sn。 对金相微切片制备的样品进行进一步腐蚀．可 以观察 IMC的三维形貌。图 2为取之于文献的经 过腐蚀后的金属间化合物形貌 从该图叮见．金相 微切片 中观察到的针状 IMC实际 f 有 口I能成 为板 块状 完全腐蚀掉界面上的焊料．腐蚀观察板块状 Ag3Sn金属间化合物．则可以使用扫描电 产显微镜 直接观察界面进行局部成分分析 图 3为一典型 分析实例． CJPC 中国电子学会生产技术分会协助出版 ． ” 啊 ’ ^ 维普资讯 http://www.cqvip.com Clp C ≯ __．． ： 荣≯ 鬯 ． - ‘·)窟蚀 ．1震囊I-c形啦(sr '共■坶¨．。u博量。23ooc匠 【) 0 2 4 6 8 Full S·1c e 2259 ns Cursot 0 OOO keV Ib1厦问化台韧的电于能i_分析 图 ． 金属间化合物的扫描电子显微镜观察 和电子能谱分析 对腐蚀出来的 IMC进行进一步 x射线衍射(x ray diffraction)分析，可以直接获得晶体结构信息， 确认 IMC类型，如到底是 Cu6Sn5还是 Cu3Sn：分析 不同晶体衍射面的相对强度还可判断金属间化合 物的生长是否存在择优取向，必要时还可以通过 x 射线衍射直接测量金属间化合物的点阵常数。图4 为典型 Cu6Sn5相的 x射线衍射图谱。 IMC的形貌及变化极为复杂。以共晶SnPb焊料 在 Cu焊盘或 Cu／OSP焊盘上的焊接为例 ，一般焊 接后形成的 IMC为贝壳状(scallop type)，而在使用 过程 中或温度应力下逐步转变 为平面形 (planar type)并不断变厚。长大一般为扩散过程。 典型生长速度为 50~C下 ，1年约长大 5um～ lOum。 长时间温度应力下 IMC长大还常常伴随 Kirk． endall效应的发生，即由于 Cu和 Sn在 IMC中的扩 散系数不同导致 IMC内部或者界面上发生孔洞聚 积，导致焊点强度及可靠性的下降。 ◆ cu nE 季 Cu ◆ 0 鬣 ◆ 苫 I 星 一 ．呈 ◆ ．． ． } ．◆J．～一 图4 Cu6Sn5金属问化合物的 X射线衍射图谱 C，P口 中国电子学会生产技术分会协助出版 ·27· — _ — — — — — — — — — — — —j·————-——————————～ 、0 0 一，■ 协 爱蕊～ 维普资讯 http://www.cqvip.com clP c 图5a为一典型焊接后的原始 IMC形貌，而图 5b则 为 1500周一40 一 125℃温度 冲击后 IMC的 变化以及由于 Kirkendall效应引起的空洞聚集 Ni为另一种常用焊盘镀层材料(化学 NiAu或 电镀 AuNi)。其中 Au层的作用主要为保护 i层免 遭过度氧化。当焊料熔 化时 ，由于 Au在焊料 中的 溶解速度很快 ，因而 All瞬间扩散进入熔 融焊料 ． 界面上 Ni和焊锡 发生反应形 成 Ni／Sn的 1MC 典 型 Ni／Sn的IMC为絮状，成分为 Ni3Sn3。必须指出． 如果 Au层厚 度太厚 (针 对电镀 Ni／Au)，则在使 用 过程中，弥散在焊料中的 Au会扩散回到 Ni／Sn界 面附近 ，形成带状 (NiAu)Sn4IMC。该 IMC在界面上 的富集常常直接导致著名的金脆失效 另外一种鲜为人知的现象为电 焊接过程中 的界面偶合现象，即 PCB焊盘界面上的反应不但 与本界面有关，同时还与器件引脚材料及涂层有 关。如焊盘上为 NiAu而器件引脚为铜金属时，器 件端的铜常在焊接过程中扩散至 Nj／Sn界面从而 导致界面上形成 (NiCu)／Sn三元金属间化合物。 以下模拟试验可以清除地说明该过程 上界面 使用 HASL涂层 的覆铜板铜 层 ，用来模拟器件 引 脚．而下界面为 NiAu铜焊盘 通过 一简单模具实 现不同位置的焊料厚度变化，焊接温度峰值为 230~C。然后采用金相微切片及扫描电子显微镜和 电子能谱分析不同焊料厚度下界面上的金属间化 合物的类型及成分。 结果可以清楚地看到， 焊料厚度较大时， 下界面无偶合现象产生，界面金属『日J化合物 为 Ni3Sn4。当厚度_F降至 1000微米定右，圩始在 IMC 中发现 cu元素。【Cu+Ni J3／ISn4]原 F比 3／4，显然 IMC晶体结构仍然为 Ni3Sn4但 是 Ni被 Cu部分替 代 ．形成了固溶体；当厚度下降至 500微米左右， fNiCu)3Sn4IMC转变为(NiNi)3Sn4IMC(固熔体) 显 然，两界面之间产生了偶合 焊料厚度越小．由 界面扩散过来的 cu就越多 在实际焊接过程中， 典型的焊点高度为数十或最多 l00多微米．因而这 种界面偶合焊料厚度越小 ，由上界面扩散过来的 cu就越多，因而这种界面偶合现象其实 十 分普遍 在产业中 ，已有形成二元(CuNi)Sn的 IMC导致焊点 大规模失效的案例。 “表面贴装国际新 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 及工艺技术"培训班 通 知 培训 时间：2005年 9月 1 1日至 1 3 Et 报到地点：南京后标营 35号 851 1研究所招待所 培训内容： 报到时间 ：2005年 9月 10日全天 培训地点：南京后标营 35号 851 1研究所招待所 1．电子组装工艺缺陷分析及排除措施 2．无铅焊接过渡兼容性问题 3．无铅焊料焊膏的选择 4．铅与有铅——铅污染的问题 5．无铅焊接的镀层化学镀镍金和浸锡 6．无铅焊接的工艺(a、印刷；b。再流焊；c．湿敏感；d、热敏感 ) 7、无铅焊接缺陷分析 8．无铅化装配焊接新标准，以 IPC—A一610D电子组装的验收条件和(IPC—J—STD一001D电气与电f 装配焊接要求》为基础 ，介绍以上两标准的重要内容．． 培训费用：本培训班以提高生产技术 、培训专业人才为目的，不追求盈利、不用国家拨款 、不要求单位 赞助 ，以收取合理费用支付教师讲课和其它开支。根据前几期培训班收支情况 ，结合深圳特区的实际 情况确定为：参加全部课程培训的学员培训费为 1700元(含中餐、包括教材费)，时间为一天的专题课 培训收费 400元(不含教材) 详情请浏览 WWW。CIPC．COM．CN技术培训专栏。有详细的介绍! · 28 · ____ _____ __·___ _··· 。。--。_-· 。。 _ 。。-'_ -。___ _____ _____ ____。 _ }_。-。' 。一 fflPff 中国电子学会生产技术分会协助出版 维普资讯 http://www.cqvip.com