IMC基础知识培训教材

IMC基础知识培训教材目录21.IMC的认识2.IMC的定义3.IMC的基本性质4.IMC的分类5.铜锡IMC的形成及老化6.IMC的测量7.铜锡IMC的判定附录：铜镍锡焊接IMC验证实验1.IMC的认识3×1000×1000台式机PCB板上Socket观察IMC图示×100042.IMC的定义焊接的重要性：1.构成任何一种电子产品，绝不可能与焊锡作业无关！2.焊锡作业的良莠可能成为产品信赖度的关键！3.焊锡作业同时也是影响制造成本高低的因素之一！焊接的作用：1.起一个连接和导通的作用。2.起一个固定的作用。焊接的关键：在一个足够热量的条件下形成锡铜化合物(IMC)。何谓焊接？将熔化的锡焊附着于很洁净的铜金属表面，此时焊锡成份中的锡和铜变成金属化合物相互连接在一起。焊接时一种物理的，也是化学反应；即使焊锡溶解液不可能完全从金属表面上把它擦掉，因为它已变成金属的一部份，它生成了铜锡化合物。2.IMC的定义5IMC系Intermetalliccompound之缩写，或称为“界面合金共化物”。在焊接领域，狭义上的IMC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(EtaPhase)及恶性Cu3Sn(EpsilonPhase)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、定义能够被焊锡Solder所焊接的金属，如铜、镍、金、银等，其焊锡与被焊金属之间，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即出现一层薄薄的“共化物”，且还会随时间逐渐成长增厚。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界面之间所形成的各种共合物，统称IntermetallicCompound简称IMC。63.IMC的基本性质3.1IMC是一种可以写出分子式的“准化合物”，有一定的组成及晶体结构。焊点晶体随时间的变化(蠕变)——随着时间老化，晶体结构越来越松弛73.2IMC之生长与温度和时间成正比。长成的厚度与时间大约形成抛物线的关系。3.IMC的基本性质83.IMC的基本性质3.3良性IMC虽然分子式完全相同，但当生长环境不同时外观却极大差异。将清洁铜面热浸于熔融态的纯锡中，热量充足下，立即生成鹅卵石状的良性IMC)锡量与热量不充足时，长出短棒状的IMC93.IMC的基本性质3.4过程中还会向主体焊料内崩离(Spalling)，以波峰焊最为明显。此现象将使得该焊点本身的硬度也随之增加，久之会有脆化的麻烦。照片所见焊料中的白点即是Cu6Sn5崩离过一次波焊过二次波焊104.IMC的分类在焊接领域，IMC是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物。现将四种常见含锡的IMC不同温度下，其生成速度进行比较。IMC的增厚，除了与温度、时间有关系外，还与锡量多少有关系。锡金IMC：焊锡与金层之间的IMC生长比铜锡合金快了很多，由先后出现的顺序所得的分子式有AuSn，AuSn2，AuSn4等。在150℃中老化300小时后，其IMC居然可增长到50μm(或2mil)之厚。因而镀金零件脚经过焊锡之后，其焊点将因IMC的生成太快，而变的强度减弱脆性增大。各类IMC随温度生成速度(nm/s)金属界面20℃100℃135℃150℃170℃锡金40锡银0.0817~35锡镍0.0815锡铜0.261.43.810114.IMC的分类锡银IMC：锡与银也会迅速的形成接口合金共化物Ag3Sn，使得许多镀银的零件脚在焊锡之后，很快就会发生银份流失而进入焊锡之中，使得银脚焊点的结构强度迅速恶化，特称为“渗银Silverleaching”。最近兴起的铜垫浸银处理(ImmersionSilver)，其有机银层极薄仅4-6μm而已，故在焊接的瞬间，银很快就熔入焊锡主体中，最后焊点构成之IMC层仍为铜锡的Cu6Sn5，故知银层的功用只是在保护铜面不被氧化而已，与有机护铜剂(OSP)之Enetk极为类似，实际上银本身并未参加焊接。锡镍IMC：在一般常温下锡与镍所生成的IMC,其生长速度与锡铜IMC相当，但在高温下却比锡铜合金要慢了很多，故可当成铜与锡或金与锡之间的阻隔层。图1.三种三明治结构的试验样品：回流焊条件(250℃/60s)，进行恒温老化(175℃/500h)，再进行切片+OM+SEM+EDX验证[1]。[1]YanghuaXia,XiaomingXie,ChuanyanLu,JunlingChang.CouplingeffectsatCu(Ni)–SnAgCu–Cu(Ni)sandwichsolderjointduringisothermalaging.[J].JournalofAlloysandCompounds417(2006)143–149结论：TypeⅢ经老化后的Cu3Sn最少，说明Ni抑制了Cu6Sn5的老化。12锡铜IMC的生成：当熔融态的焊锡落在洁净铜面的瞬间，将会立即发生沾锡(Wetting俗称吃锡)的焊接动作。此时也立即会有锡原子扩散(Diffuse)到铜层中去，而铜原子也同时会扩散进入焊锡中，二者在交接面上必形成良性Cu6Sn5的IMC，称为η-phase(读做Eta相)，此种新生“准化合物”中含锡之重量比约占60%。(a)最初状态：当焊锡着落在清洁的铜面上将立即有η-phaseCu6Sn5生成。(b)锡份渗耗期：焊锡层中的锡份会不断的流失而渗向IMC去组新的Cu6Sn5，而同时铜份也会逐渐渗向原有的η-phase层次中而去组成新的Cu3Sn。此时焊锡中之锡量将减少，若于其外表欲再行焊接时将会发生缩锡。(c)IMC的曝露：由于锡份的流失，造成焊锡层的松散不堪而露出IMC底层，而终致到达不沾锡的下场(Non-wetting)。5.铜锡IMC的形成及老化13锡铜IMC的恶化：由上述可知锡铜之间最先所形成的良性η-phase(Cu6Sn5)，并且这种良性IMC还会因铜的不断侵入而逐渐劣化，逐渐变为不良的ε-phase(Cu3Sn)。此两种IMC所构成的总厚度将因温度上升而加速长厚，且与时俱增。在IMC老化过程中，原来焊锡中的锡份不断的输出，与底材铜结合成IMC。但由于底材铜份的无限量供应，IMC中含锡量愈来愈少，因而愈往后来所形成的IMC，将愈趋向恶性的Cu3Sn。一旦当IMC的总厚度成长到达整个锡铅层的一半时，其含锡量也将由原来的60%而降到40%，此时其沾锡性的恶化当然就不言而喻[2]。分子式含锡量wt%出现经过位置颜色结晶性能（良性）Cu6Sn560%高温熔锡沾焊到清洁铜面时立即生成介于焊锡与铜底之间的接口处白色球状组织良性IMC（焊接强度之必须条件）（恶性）Cu3Sn40%焊后经高温或长期老化而逐渐发生介于Cu6Sn5与铜面之间灰色柱状结晶恶性IMC（将造成后续缩锡或不沾锡）5.铜锡IMC的形成及老化[2]白蓉生.电路板与无铅焊接.台湾电路板产业学院：2006.106.IMC的测量14IMC的测量工作摘要：1.化学腐蚀处理2.喷金导电层处理3.SEM&EDS分析4.结论6.IMC的测量15利用硝酸对锡腐蚀明显的特性将试样表面的锡轻微腐蚀一层，结合面形成高低差，提高观察效果；将腐蚀后的样品放入超声波清洗机里将腐蚀的残渣彻底清洗干净。超声波清洗机4%稀硝酸6.1化学腐蚀处理：6.IMC的测量16设备照片因试样无导电性，所以照射的电子带电，发生晕环，会使SEM图像发白，所以作为测定前的处理应该进行金或铂或碳的蒸镀，以防止带电。喷金装置6.2喷金导电层处理：17设备照片SEM主要是观察试样的表面形貌、组成、晶体结构等；工作原理：检测从试样发生的二次电子，根据发生量的差异观察试样表面状态。EDS是检测试样表面的化学元素（针对无机物），作出准确的失效分析；工作原理：检测由试样发生的特性X射线能量，进行定性定量分析。EDS（成份分析仪）SEM（扫描电镜）6.IMC的测量6.3.1SEM&EDS分析：18图片中锡与铜材之间还有一层色差明显的焊接层（IMC层），厚度供参考整体照片120X2000X2000X2000X位置1位置2位置3位置1位置2位置36.IMC的测量6.3.2SEM测量照片：SnIMCCu样品表面每种材质反射出来的二次电子能量有差异，原子质量重的相对浅色些，所以能看出IMC层的分界线192468101214161820keV0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0cps/eVSnSnSnCuCuAcquisition日期：3/30/20189:54:47AM高压：21.0kV脉冲：2.11kcpsElANSeriesunn.Cnorm.CAtom.CError(1Sigma)[wt.%][wt.%][at.%][wt.%]-----------------------------------------------------Sn50L-series50.7663.4848.201.55Cu29K-series29.2136.5251.800.92-----------------------------------------------------Total:79.97100.00100.00EDS分析结果IMC层的铜锡成份比例可能会因锡膏和铜材型号不同有所差异，结果供参考。分析位置6.IMC的测量6.3.3EDS分析结果：20从SEM观察/EDS成份分析等方面得出以下结果：1.化学腐蚀和喷金处理都属于前处理工序，目的都是为了获得更好的SEM观察效果。2.SEM主要是观察试样的表面形貌、组成、晶体结构等。3.EDS是检测试样表面的化学元素（针对无机物），作出准确的失效分析。6.IMC的测量6.4IMC的测量小结：216.IMC的测量6.5IMC的测量实例分享：7.铜锡IMC的判定22成份判定法：铜锡间之生成的良性Cu6Sn5及恶性Cu3Sn；可以以含锡量作为判定指标。含锡量计算如下：查元素周期表得镍、铜、锡的相对原子质量分别为：Ni-58.69；Cu-63.54；Sn-118.7.理论含锡量计算如下：Cu6Sn5含锡量=锡原子质量×5/（铜原子质量×6+锡原子质量×5）=60.88%Cu3Sn含锡量=锡原子质量/（铜原子质量×3+锡原子质量）=38.37%分子式含锡量wt%出现经过位置颜色结晶性能（良性）Cu6Sn560%高温熔锡沾焊到清洁铜面时立即生成介于焊锡与铜底之间的接口处白色球状组织良性IMC（焊接强度之必须条件）（恶性）Cu3Sn40%焊后经高温或长期老化而逐渐发生介于Cu6Sn5与铜面之间灰色柱状结晶恶性IMC（将造成后续缩锡或不沾锡）EDS含锡量测量为58.29，判定为良性IMC7.1.铜锡IMC良性与恶性判定方法7.铜锡IMC的判定外观判定法：铜锡间生成的良性Cu6Sn5及恶性Cu3Sn；通过切片，在SEM下放大3000倍，观察焊接面间形成的中介层的形状及成色可作出一定的判断；7.1.铜锡IMC良性与恶性判定方法良性IMC层恶性IMC层CuSnIMCSn良性IMCCu恶性IMC生成于Cu6Sn5与铜面之间[1]参考文献：[1]白蓉生.电路板与无铅焊接.台湾电路板产业学院：2006.1023附录：铜镍锡焊接IMC验证实验一、验证目的PCBPad_铜锡球SAC305_锡膏纯Ni板锡球SAC305_锡膏Type1:锡球与PCBPad铜焊接Type2:锡球与纯Ni板焊接在与SAC305的锡球焊接过程中，铜和镍分别扮演什么角色？铜镀镍焊接的IMC与Cu6Sn5有何差异？为回答上述问题，进行以下验证：分别准备如下三种模型的样品进行回流焊，灌胶切片，SEM，EDS分析实验。Type3:锡球与铜材镀镍板焊接锡球SAC305_锡膏镀镍层铜材25二、验证计划NO.焊接类型焊接条件验证项目IMCEDS1PCBCuPad+SAC305锡球SAC305锡膏+空气√√299.97%纯镍+SAC305锡球助焊膏+氮气√√3铜