IMC广义上是指某些金属相互紧密接触之介面间,会由于原子间的相互结合、渗入、迁移及扩散等行为,组成一层类似合金的“化合物”。焊接领域的狭义上则是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物,其中尤以铜锡间之良性Cu6Sn5(η-phase)及恶性Cu3Sn(ε-phase)最为常见,对焊锡性及焊点可靠性影响最大。接下来,780790百万文字论坛红字-500507百万文字论坛综合资料转载-500507百万综合文字论坛资料-500606百万文字论坛跑狗图-百万文字论坛500505com小编将接着《SnPb共晶焊料接头IMC形成的综合性探讨》一文中的内容继续讲解分析。
2、焊接初始形态(η-phase,Cu6Sn5形成)
用焊料焊接母材时,伴随润湿的出现,熔化的焊料与被焊金属之间随即发生相互作用。从微观上讲,由于温度的升高,金属原子在晶格点阵中呈现振动状态,金属原子会从一个晶格点阵移动到其它晶格点阵中去,这种现象称为扩散。扩散是形成金属间化合物的前提,只有原子互相渗透到对方晶格内才能形成化合层,才能牢固结合。
当熔融态的焊锡落在铜面的瞬间,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,二者在交接口上形成良性的Cu6Sn5IMC(称为η-phase)。该新生“准化合物”中含锡重量比约为60%,介于焊锡与铜面之间,为白色球状结晶组织,具有很高的表面自由能,且合金强度高、焊点电接触性能良好,是良性合金层。
之所以称Cu6Sn5IMC为良性合金层,是因为如果没有这种良性η-phase的存在,就根本不可能完成良好的沾锡,也无法正确的焊牢。换言之,必需要在铜面上首先生成η-phase的IMC,其焊点才有强度。否则焊锡只是在附着的状态下暂时冷却固化在铜面上而已,这种焊点就如同大树没有根一样,毫无强度可言。
从金属原子的扩散类型看,有文献指出,在很短的钎焊时间内界面化合物层的形成是由反应扩散控制的,即焊料中的Sn和基体中的Cu通过扩散在相界面处发生化学反应产生Cu6Sn5。在这个阶段,界面IMC的形成速度是非常快的,晶粒尺寸也很小。
3、Sn渗耗期(η-phase+ε-phase,Cu6Sn5与Cu3Sn形成)
随着焊接过程的进行,焊锡层中的Sn会不断流失而渗向IMC去组成新的Cu6Sn5,而同时Cu也会逐渐渗向原有的η-phase层次中而去组成新的Cu3SnIMC(称为ε-phase)。该种“准化合物”中含焊锡重量比下降至30%左右,对应含铜量由η-phase的40%上升至66%左右。ε-phase介于η-phase与铜面之间,为柱状结晶,具有较低的表面自由能(仅为良性η-phase的一半),是恶性合金层,不利于焊接。
资料显示,Cu6Sn5的熔点在500℃以上,所以在260℃左右的钎焊温度下,反应生成的界面IMC层在smt加工焊接过程中也会发生凝固,这就阻止了铜基体与液态焊料的直接接触,使反应扩散终止。而此时界面处的Cu6Sn5颗粒之间还存在较深的沟槽,Cu和Sn的扩散就主要通过这些沟槽进行,所以IMC层的生长主要靠晶界扩散控制。
此时由于焊锡中含锡量减少,对应含铅量在比例上有所增加,若于表面再行焊接时将会发生缩锡现象。同时,当焊锡层中的Sn不断渗走再去组成更厚的IMC时,逐渐使得本身的含铅比例增加并最终形成薄薄的一层全铅层(Barrier),进而阻绝了Sn的继续渗移。
4、IMC层的形成
通常在230-250℃,1-3S时间内可形成1-3μm的根须状良性Cu6Sn5,若进一步升温或延长时间,将会在Cu层与Cu6Sn5之间生成柱状的脆性Cu3Sn。高温作业后经长时间老化的过程中,在良性η-phase IMC与铜底材之间,也会因Cu的不断渗入Cu6Sn5中,而逐渐使其局部组成改变为恶性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,温度的影响尤其强烈。凡其总IMC厚度愈厚者,对以后再进行smt贴片打样或加工焊接时之焊锡性也愈差。
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)。随着焊接时间的增加,IMC层会继续增厚,且晶粒也会长大,对应晶界数量减少。当减少到一定程度后,体扩散成为IMC生长的主要机制,这一阶段IMC的生长速度也是最慢的。
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