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IMC基础知识培训教材,目 录,2,1.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,1000,4,2. IMC 的定义,焊接的重要性：构成任何一种电子产品，绝不可能与焊锡作业无关！焊锡作业的良莠可能成为产品信赖度的关键！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：起一个连接和导通的作用。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,5,IMC 系 Inter metallic compound 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(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Inter metallic Compound 简称IMC。,6,3. IMC 的基本性质,3.1 IMC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,7,3.2 IMC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,8,3. 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IMC,9,3. 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,10,4. 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50m(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。,11,4. 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Silver leaching”。最近兴起的铜垫浸银处理(Immersion Silver)，其有机银层极薄仅4-6m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 Yanghua Xia, Xiaoming Xie, Chuanyan Lu, Junling Chang. Coupling effects at Cu(Ni)SnAgCuCu(Ni) sandwich solder joint during isothermal aging.J. Journal of Alloys and Compounds 417 (2006) 143149,结论：Type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-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-phase Cu6Sn5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-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-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-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。,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：2006.10,6. IMC 的测量,14,IMC 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,6.3.1 SEM&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,120X,2000X,2000X,2000X,位置1,位置2,位置3,位置1,位置2,位置3,6. IMC 的测量,6.3.2 SEM测量照片：,Sn,IMC,Cu,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,19,EDS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,6.3.3 EDS分析结果：,20,从SEM观察/EDS成份分析等方面得出以下结果：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。SEM 主要是观察试样的表面形貌、组成、晶体结构等。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,6.4 IMC 的测量小结：,21,6. IMC 的测量,6.5 IMC 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%,EDS含锡量测量为58.29，判定为良性IMC,7.1. 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,Cu,Sn,IMC,Sn,良性IMC,Cu,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：2006.10,23,附录：铜镍锡焊接IMC验证实验,一、验证目的,Type 1:锡球与PCB Pad铜焊接,Type 2: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。,Type 3:锡球与铜材镀镍板焊接,25,二、验证计划,三、验证方法,1、清洁焊盘+刷锡膏 (0.13 0.45)或助焊膏；,2、在锡膏上植锡球；,3、过回焊炉；,4、切片验证。,4.1.结果总表：,四、验证结果,结论：纯镍在刷助焊膏并开氮气环境下与锡球完成焊接，IMC中含有22%的Cu，16%的镍，此中Cu推断来源于锡球。而锡球中含铜量仅为0.5%，这说明锡球中的Cu在焊接中会大量向接口聚集，更多的参与焊接反应。,四、验证结果,4.2.基恩士OM(Optical Microscope)+SEM+EDS；,1.G5 PCB Pad：,100,1000,Cu6Sn5,2.纯镍 99.7%：,(助焊膏+氮气),200,1000,来自于锡球,(锡膏+无氮气),锡球,Cu,锡球,Cu,锡球,Ni,锡球,Ni,3.电镀镍400u：,3.电镀镍1000u ：,3.电镀镍4000u ：,4.2.基恩士OM(Optical Microscope)+SEM+EDS；,200,1000,200,1000,200,1000,(助焊膏+氮气),(助焊膏+氮气),(助焊膏+氮气),锡球,铜镀镍,铜镀镍,铜镀镍,锡球,锡球,Cu,Cu,Cu,Ni,Ni,Ni,四、验证结果,一、铜锡恶性IMC(Cu3Sn)的生成过程：,焊后初期，SAC/Cu界面存在Cu6Sn5和Cu3Sn两种金属间化合物19 ,如图1。随着等温时效,Cu/ Cu3Sn界面和Cu3Sn内部会生成Kirkendall空洞并逐渐长大、聚合并沿着界面层形成脱层,如图519 。,19 Chiu T C , Zeng K, Stierman R , Edwards D , Ano K. Effect of thermal aging on board level drop reliability for Pb-free BGA packages. Proc. of Electronic Components and Technology Conference ( ECTC 2004) , Las Vegas ,Nevada , USA , 1 - 4 June , 2004. 1 2571 262.,图1,图5,附录： Cu3Sn恶性IMC对焊点强度的影响,17 XU L H, PANG J H L. Effect of inter-metallic and Kirkendall voids growth on board level drop reliability for SnAgCu lead-free BGA solder joint. C.56th Electronic Components and Technology Conference. USA:IEEE, 2006.,XU .L .H等人17指出，BGA产品有四种失效形式，如图9，且第一种SAC/Cu pad界面的IMC失效占主导。跌落冲击寿命与时效时间的关系如图10。且随着时效时间增加，裂缝由原来IMC靠近SAC界面，向Cu pad界面转移，且裂缝更加平整。文中指出：这是由于Cu3Sn产生大量Kirkendall空洞造成的。,图9,图10,图11,二、铜锡恶性IMC(Cu3Sn)对焊点强度的影响：,附录： Cu3Sn恶性IMC对焊点强度的影响,如果PCB的表面处理或是锡膏氧化了，但SMT的回焊（Reflow）温度却是固定的，此时就会造成润湿不良的情形。当氧化程度不是很严重时，就会发生部份可以润湿，部份不润湿的缩锡（De-Wetting）现象，当氧化非常严重就会造成不沾锡/不润湿（Non-Wetting）的现象。 所以影响焊锡润湿的因素为温度与氧化程度。,缩锡,不润湿/不沾锡,三、缩锡和不沾锡：,附录： Cu3Sn恶性IMC对焊点强度的影响,
