PCB中IMC的介紹

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 接領域的狹義上是指銅錫、金錫、鍥錫及銀錫之間的共化物.其中尤以銅 錫問之良性 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.定義能夠被錫鉛合金焊料(或稱焊錫Solder)所焊接的金

2、屬,如銅、鍥、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、一般性質由于IMC曾是一種可以寫出分子式的“準化合物,故其性質與原來 的金屬已大不相同,對整體焊

3、點強度也有不同程度的影響,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構,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

4、或噴錫層,其與底銅之間已出現(xiàn)“較厚 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阻礙；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. 焊點中由于錫銅結晶或錫銀結晶的滲入,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 成拋物線的關系,即：6 =k Vt, k=k exp( - Q/RT)6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

5、間的生長常數(shù), 以nm /,秒或 pm /,日( 1 fl m /,日=3.4nm /,秒.現(xiàn)將四種常見含錫的IMC在不同溫度下,其生長速度比擬在下表的數(shù) 字中：表1各種IMC在不同溫度中之生長速度(nm / Vs)金屬介面 20 C ,100 c ,135 C ,150 c ,170 C1 .錫/ 金402 .錫 / 銀 0.08 17-353 .錫 /鍥 0.08 1 54 .錫 / 銅 0.26 1.4 3.8 10注在170c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

6、鉛比70/30的皮膜為12.0 ,光澤鍍純錫為 3.7 , 其中以最后之光澤鍍錫情況較好.三、焊錫性與外表能假設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"外表自由能" (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) 被焊底金屬外表之外表能(Surface Energy),(2)焊錫焊料本身的“外表能等二者而定.凡底金屬之外表能大于焊錫本身之外表能時,那么其沾錫性會非常好, 反之那么沾錫性會變差.也就是說當?shù)捉饘僦獗砟軠p掉焊錫外表能而得到 負值時,

7、將出現(xiàn)縮錫(Dewetting),負值愈大那么焊錫愈差,甚至造成不沾錫 (Non-Wetting) 的惡劣地步.新鮮的銅面在真空中測到的“外表能約為1265達因/公分,63/37的焊錫加熱到共熔點(Eutectic Point 183C)并在助焊劑的協(xié)助,其外表能;.只得380達因/公分,假設將二者焊一起時,其沾錫性將非常良好.然而假設將 上述新鮮潔凈的銅面刻意放在空氣中經歷2小時后,其外表能將會遽降到25達因/公分,與380相減不但是負值(-355),而且相去甚遠,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,使之再活化及外表 能之再次提升,并超過焊錫本身的外表能時,焊錫性才會

8、有良好的成績.四、錫銅介面合金共化物的生成與老化當熔融態(tài)的焊錫落在潔銅面的瞬間,將會立即發(fā)生沾錫(Wetting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入焊錫中,二者在交接口上形成良性且必須者 Cu6Sn5的IMC,稱為4-phase(讀做Eta相),此種新生“準化合物中含 錫之重量比約占60%=假設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240c白0.5 pm到340c白0.9 mi然而在此交會互熔的同時,底銅也會有一部份熔進液錫的主體錫池中,形 成負面的污染.(a)最初狀態(tài)：當焊錫著落在清

9、潔的銅面上將立即有7 -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Cu6Sn5,而同時銅份也會逐漸滲向原有的7 -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,假設于其外 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,而終致到達不沾錫的下場(Non-wetting).高溫作業(yè)后經長時老化的過程中,在Et

10、a-phase良性IMC與銅底材之問,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 £ -phase(又讀做 Epsilon 相).其中銅量將由早先 q-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.由前述外表能的觀點可看出, 這種含銅量甚高的惡性e-phase ,其外表能的數(shù)字極低,只有良性 q-phase的一半.因而Cu3Sn是一種對焊錫性頗有阻礙的IMC.然而早先出現(xiàn)的良性q-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,

11、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.否那么焊錫只是在附著的狀態(tài)下暫時冷卻固化在銅面上而已,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在物理結構上也不相同.其中惡性的£ -phase(Cu3Sn)常呈現(xiàn)柱狀結晶(Columnar;.Structure),而良性的q-phase(Cu6Sn5)卻是一種球狀組織(Globular). 下列圖8此為一銅箔上的焊錫經長時間老化后,再將其彎折磨平拋光以及微 蝕后,這在SEM2500m下所攝得的微切片實像,兩 IMC的組織皆清楚可見, 二者

12、之硬度皆在 500微硬度單位左右.在IMC的增厚過程中,具結晶粒子 (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擬困難.一般切片到 達最后拋光完成后,可使用專門的微蝕液(NaOH50/gl ,加1, 2-Nitrphenol35ml/l , 70c下操作),并在超聲波協(xié)助下,使其能咬出清楚的 IMC層次, 而看到各層結晶解里面的多種情況.現(xiàn)將錫銅合金的兩種IMC性質比擬如下：兩種錫銅合金IMC的比擬命名分子式含錫量W%出現(xiàn)經過位置所在顏色結晶性能外表能 7 -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

13、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晶惡性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之外表呈鵝卵石狀.但假設改成錫鉛合金(63/37)之錫膏與熱風再銅面上熔焊時,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生IMC的,且

14、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“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,也另在地盤內的液錫和固 銅之間產

15、生交流,而向下扎根生成IMC,熱力學方式之步驟,即在說明其假想動作的細節(jié). ;.五、錫銅IMC的老化由上述可知錫銅之間最先所形成的良性q-phase(Cu6Sn5),已成為良好焊接的必要條件.唯有這IMC的存在才會出現(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

16、IR) 0.030.04噴錫板0.020.037170c中烤 24小時0.22 以上125c中烤24小時0.04670c中烤24小時0.01770c中存貯 40天0.0530 C中存貯2年0.0520 C中存貯5年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 而造成鉛份在比例上的不斷增加.一旦當IMC的總厚度成長到達整個錫鉛層的一半時,其含錫量也將由原來的60%疝降到4

17、0%此時其沾錫性的惡化當然就不言而喻.并由底材銅份的無限量供給,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=且請務必注意,一旦環(huán)境超過60c時,即使新生成的Cu6Sn5也開始轉變長出Cu3Sn來. 一旦這種不良的£ -phase成了氣候,那么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,一般標準都要求錫鉛皮膜層至 少都要在0.3m

18、il以上.老化后的錫鉛皮膜,除了不良的IMC及外表能太低,而導致縮錫的效應外,鍍銅層中的雜質如氧化物、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.從許多種前人的試驗及報告文獻中,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125150c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 155c的干烤箱中放置 4小時；及在 40 C, 9095%R*境 中放置10天.如此之連續(xù)折騰約等于1年時間

19、的自然老化.在經此等高溫高濕的老化條件下,錫鉛皮膜外表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 AuSn, AuSn2, AuSn4等.在150c中老化 300小時后,其 IMC居然可增長到50仙m域2mil)之厚.因而鍍金零件腳經過焊錫之后,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,故內中缺點尚不曝露出來.又假設當金層很薄時,例如是把 薄金層鍍在銅面上再去焊錫,那么其焊點強度也很快就會變差,其劣化程度 可

20、由耐疲勞強度試驗周期數(shù)之減少而清楚得知.曾有人成心以熱壓打線法 (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45仙m經155c中老化460小時后,竟然完全消耗殆盡,其效應實在相當驚人.但假設將金層鍍 在鍥面上,或在焊錫中成心參加少許的鈿,即可大大減緩這種黃金擴散速 度達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)生銀份流失而進入焊錫之中,使得銀腳焊點的結 構強度迅速惡化,特稱為"滲銀

21、Silver leaching .此種焊后可靠性的問 題,曾在許多以鉗層及銀層為導體的“厚膜技術(Thick Film Technology)中發(fā)生過,SMT+也不乏前例.假設另將錫鉛共融合金比例63/37的焊錫成分,予以小幅的改變而參加2%勺銀,使成為62/36/2的比例時,即可減輕或避免發(fā)生此一“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 4-6pm而已,故在 焊接的瞬間,銀很快就熔入焊錫主體中,最后焊點構成之IMC層仍為銅錫的Cu6Sn5,故知銀層的功用只是在保護銅面而不被氧化而已,與有機護銅 劑(OSP)之Enetk極為類似,實際上銀本身并未參加焊接.八、錫鍥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成底材.但 因黃銅中含有多量的鋅,對于焊錫性會有很大的阻礙,故必須先行鍍鍥當 成屏障(Barrier) 層,才能完成焊接的任務.事實上這只是在焊接的瞬間, 先暫時到達消災避禍的