IMC基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)教材

IMC基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)教材目錄21.IMC的認(rèn)識(shí)2.IMC的定義3.IMC的基本性質(zhì)4.IMC的分類5.銅錫IMC的形成及老化6.IMC的測(cè)量7.銅錫IMC的判定附錄：銅鎳錫焊接IMC驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)1.IMC的認(rèn)識(shí)3×1000×1000臺(tái)式機(jī)PCB板上Socket觀察IMC圖示×100042.IMC的定義焊接的重要性：構(gòu)成任何一種電子產(chǎn)品，絕不可能與焊錫作業(yè)無關(guān)！焊錫作業(yè)的良莠可能成為產(chǎn)品信賴度的關(guān)鍵！焊錫作業(yè)同時(shí)也是影響制造成本高低的因素之一！焊接的作用：起一個(gè)連接和導(dǎo)通的作用。起一個(gè)固定的作用。焊接的關(guān)鍵：

在一個(gè)足夠熱量的條件下形成錫銅化合物(IMC)。

何謂焊接？將熔化的錫焊附著于很潔凈的銅金屬表面，此時(shí)焊錫成份中的錫和銅變成金屬化合物相互連接在一起。焊接時(shí)一種物理的，也是化學(xué)反應(yīng)；即使焊錫溶解液不可能完全從金屬表面上把它擦掉，因?yàn)樗炎兂山饘俚囊徊糠?，它生成了銅錫化合物。2.IMC的定義5IMC系Intermetalliccompound之縮寫，或稱為“界面合金共化物”。在焊接領(lǐng)域，狹義上的IMC是指銅錫、金錫、鎳錫及銀錫之間的共化物。其中尤以銅錫間之良性Cu6Sn5(EtaPhase)及惡性Cu3Sn(EpsilonPhase)最為常見，對(duì)焊錫性及焊點(diǎn)可靠度(即焊點(diǎn)強(qiáng)度)兩者影響最大，特整理多篇論文之精華以詮釋之。一、定義能夠被焊錫Solder所焊接的金屬，如銅、鎳、金、銀等，其焊錫與被焊金屬之間，在高溫中會(huì)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(jié)合、滲入、遷移、及擴(kuò)散等動(dòng)作，而在冷卻固化之后立即出現(xiàn)一層薄薄的“共化物”，且還會(huì)隨時(shí)間逐漸成長增厚。此類物質(zhì)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界面之間所形成的各種共合物，統(tǒng)稱IntermetallicCompound簡稱IMC。63.IMC的基本性質(zhì)3.1IMC是一種可以寫出分子式的“準(zhǔn)化合物”，有一定的組成及晶體結(jié)構(gòu)

。焊點(diǎn)晶體隨時(shí)間的變化(蠕變)——隨著時(shí)間老化，晶體結(jié)構(gòu)越來越松弛73.2IMC之生長與溫度和時(shí)間成正比。長成的厚度與時(shí)間大約形成拋物線的關(guān)系。3.IMC的基本性質(zhì)83.IMC的基本性質(zhì)3.3良性IMC雖然分子式完全相同，但當(dāng)生長環(huán)境不同時(shí)外觀卻極大差異。將清潔銅面熱浸于熔融態(tài)的純錫中，熱量充足下，立即生成鵝卵石狀的良性IMC)錫量與熱量不充足時(shí)，長出短棒狀的IMC93.IMC的基本性質(zhì)3.4過程中還會(huì)向主體焊料內(nèi)崩離(Spalling)，以波峰焊最為明顯。此現(xiàn)象將使

得該焊點(diǎn)本身的硬度也隨之增加，久之會(huì)有脆化的麻煩。照片所見焊料中的白點(diǎn)即是Cu6Sn5崩離過一次波焊過二次波焊104.IMC的分類在焊接領(lǐng)域，IMC是指銅錫、金錫、鎳錫及銀錫之間的共化物?，F(xiàn)將四種常見含錫的IMC不同溫度下，其生成速度進(jìn)行比較。IMC的增厚，除了與溫度、時(shí)間有關(guān)系外，還與錫量多少有關(guān)系。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150℃中老化300小時(shí)后，其IMC居然可增長到50μm(或2mil)之厚。因而鍍金零件腳經(jīng)過焊錫之后，其焊點(diǎn)將因IMC的生成太快，而變的強(qiáng)度減弱脆性增大。各類IMC隨溫度生成速度(nm/s)金屬界面20℃100℃135℃150℃170℃錫金40錫銀0.0817~35錫鎳0.0815錫銅0.261.43.810114.IMC的分類錫銀IMC：錫與銀也會(huì)迅速的形成接口合金共化物Ag3Sn，使得許多鍍銀的零件腳在焊錫之后，很快就會(huì)發(fā)生銀份流失而進(jìn)入焊錫之中，使得銀腳焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度迅速惡化，特稱為“滲銀Silverleaching”。最近興起的銅墊浸銀處理(ImmersionSilver)，其有機(jī)銀層極薄僅4-6μm而已，故在焊接的瞬間，銀很快就熔入焊錫主體中，最后焊點(diǎn)構(gòu)成之IMC層仍為銅錫的Cu6Sn5，故知銀層的功用只是在保護(hù)銅面不被氧化而已，與有機(jī)護(hù)銅劑(OSP)之Enetk極為類似，實(shí)際上銀本身并未參加焊接。錫鎳IMC：在一般常溫下錫與鎳所生成的IMC,其生長速度與錫銅IMC相當(dāng)，但在高溫下卻比錫銅合金要慢了很多，故可當(dāng)成銅與錫或金與錫之間的阻隔層。圖1.三種三明治結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)樣品：回流焊條件(250℃/60s)，進(jìn)行恒溫老化(175℃/500h)，再進(jìn)行切片+OM+SEM+EDX驗(yàn)證[1]。[1]YanghuaXia,XiaomingXie,ChuanyanLu,JunlingChang.CouplingeffectsatCu(Ni)–SnAgCu–Cu(Ni)sandwichsolderjointduringisothermalaging.[J].JournalofAlloysandCompounds417(2006)143–149結(jié)論：TypeⅢ經(jīng)老化后的Cu3Sn最少，說明Ni抑制了Cu6Sn5的老化。12錫銅IMC的生成：當(dāng)熔融態(tài)的焊錫落在潔凈銅面的瞬間，將會(huì)立即發(fā)生沾錫(Wetting俗稱吃錫)的焊接動(dòng)作。此時(shí)也立即會(huì)有錫原子擴(kuò)散(Diffuse)到銅層中去，而銅原子也同時(shí)會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入焊錫中，二者在交接面上必形成良性Cu6Sn5的IMC，稱為η-phase(讀做Eta相)，此種新生“準(zhǔn)化合物”中含錫之重量比約占60%。

(a)最初狀態(tài)：當(dāng)焊錫著落在清潔的銅面上將立即有η-phaseCu6Sn5生成。

(b)錫份滲耗期：焊錫層中的錫份會(huì)不斷的流失而滲向IMC去組新的Cu6Sn5，而同時(shí)銅份也會(huì)逐漸滲向原有的η-phase層次中而去組成新的Cu3Sn。此時(shí)焊錫中之錫量將減少，若于其外表欲再行焊接時(shí)將會(huì)發(fā)生縮錫。

(c)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(dá)不沾錫的下場(chǎng)(Non-wetting)。

5.

銅錫IMC的形成及老化13錫銅IMC的惡化：由上述可知錫銅之間最先所形成的良性η-phase(Cu6Sn5)，并且這種良性IMC還會(huì)因銅的不斷侵入而逐漸劣化，逐漸變?yōu)椴涣嫉摩?phase(Cu3Sn)。此兩種IMC所構(gòu)成的總厚度將因溫度上升而加速長厚，且與時(shí)俱增。在IMC老化過程中，原來焊錫中的錫份不斷的輸出，與底材銅結(jié)合成IMC。但由于底材銅份的無限量供應(yīng)，IMC中含錫量愈來愈少，因而愈往后來所形成的IMC，將愈趨向惡性的Cu3Sn。一旦當(dāng)IMC的總厚度成長到達(dá)整個(gè)錫鉛層的一半時(shí)，其含錫量也將由原來的60%而降到40%，此時(shí)其沾錫性的惡化當(dāng)然就不言而喻[2]。分子式含錫量wt%出現(xiàn)經(jīng)過位置顏色結(jié)晶性能（良性）Cu6Sn5

60%高溫熔錫沾焊到清潔銅面時(shí)立即生成介于焊錫與銅底之間的接口處白色球狀組織良性IMC（焊接強(qiáng)度之必須條件）（惡性）Cu3Sn

40%焊后經(jīng)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(jié)晶惡性IMC（將造成后續(xù)縮錫或不沾錫）5.

銅錫IMC的形成及老化[2]白蓉生.電路板與無鉛焊接.臺(tái)灣電路板產(chǎn)業(yè)學(xué)院：2006.10

6.IMC的測(cè)量14IMC的測(cè)量工作摘要：1.化學(xué)腐蝕處理2.噴金導(dǎo)電層處理3.SEM&EDS分析4.結(jié)論6.IMC的測(cè)量15利用硝酸對(duì)錫腐蝕明顯的特性將試樣表面的錫輕微腐蝕一層，結(jié)合面形成高低差，提高觀察效果；將腐蝕后的樣品放入超聲波清洗機(jī)里將腐蝕的殘?jiān)鼜氐浊逑锤蓛?。超聲波清洗機(jī)4%稀硝酸6.1化學(xué)腐蝕處理：6.IMC的測(cè)量16設(shè)備照片因試樣無導(dǎo)電性，所以照射的電子帶電，發(fā)生暈環(huán)，會(huì)使SEM圖像發(fā)白，所以作為測(cè)定前的處理應(yīng)該進(jìn)行金或鉑或碳的蒸鍍，以防止帶電。噴金裝置6.2噴金導(dǎo)電層處理：17設(shè)備照片SEM主要是觀察試樣的表面形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)等；工作原理：檢測(cè)從試樣發(fā)生的二次電子，根據(jù)發(fā)生量的差異觀察試樣表面狀態(tài)。EDS是檢測(cè)試樣表面的化學(xué)元素（針對(duì)無機(jī)物），作出準(zhǔn)確的失效分析；工作原理：檢測(cè)由試樣發(fā)生的特性X射線能量，進(jìn)行定性定量分析。EDS（成份分析儀）SEM（掃描電鏡）6.IMC的測(cè)量6.3.1SEM&EDS分析：18圖片中錫與銅材之間還有一層色差明顯的焊接層（IMC層），厚度供參考整體照片120X2000X2000X2000X位置1位置2位置3位置1位置2位置36.IMC的測(cè)量6.3.2SEM測(cè)量照片：SnIMCCu樣品表面每種材質(zhì)反射出來的二次電子能量有差異，原子質(zhì)量重的相對(duì)淺色些，所以能看出IMC層的分界線19EDS分析結(jié)果IMC層的銅錫成份比例可能會(huì)因錫膏和銅材型號(hào)不同有所差異，結(jié)果供參考。分析位置6.IMC的測(cè)量6.3.3EDS分析結(jié)果：20從SEM觀察/EDS成份分析等方面得出以下結(jié)果：化學(xué)腐蝕和噴金處理都屬于前處理工序，目的都是為了獲得更好的SEM觀察效果。SEM

主要是觀察試樣的表面形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)等。EDS是檢測(cè)試樣表面的化學(xué)元素（針對(duì)無機(jī)物），作出準(zhǔn)確的失效分析。6.IMC的測(cè)量6.4IMC的測(cè)量小結(jié)：216.IMC的測(cè)量6.5IMC的測(cè)量實(shí)例分享：7.銅錫IMC的判定22成份判定法：銅錫間之生成的良性Cu6Sn5及惡性Cu3Sn；可以以含錫量作為判定指標(biāo)。含錫量計(jì)算如下：查元素周期表得鎳、銅、錫的相對(duì)原子質(zhì)量分別為：Ni-58.69；Cu-63.54；Sn-118.7.理論含錫量計(jì)算如下：

Cu6Sn5含錫量=錫原子質(zhì)量×5/（銅原子質(zhì)量×6+錫原子質(zhì)量×5）=60.88%Cu3Sn含錫量=錫原子質(zhì)量/（銅原子質(zhì)量×3+錫原子質(zhì)量）=38.37%分子式含錫量wt%出現(xiàn)經(jīng)過位置顏色結(jié)晶性能（良性）Cu6Sn5

60%高溫熔錫沾焊到清潔銅面時(shí)立即生成介于焊錫與銅底之間的接口處白色球狀組織良性IMC（焊接強(qiáng)度之必須條件）（惡性）Cu3Sn

40%焊后經(jīng)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(jié)晶惡性IMC（將造成后續(xù)縮錫或不沾錫）EDS含錫量測(cè)量為58.29，判定為良性IMC7.1.銅錫IMC良性與惡性判定方法7.銅錫IMC的判定外觀判定法：銅錫間生成的良性Cu6Sn5及惡性Cu3Sn；通過切片，在SEM下放大3000倍，觀察焊接面間形成的中介層的形狀及成色可作出一定的判斷；7.1.銅錫IMC良性與惡性判定方法良性IMC層惡性IMC層CuSnIMCSn良性IMCCu惡性IMC生成于Cu6Sn5與銅面之間[1]參考文獻(xiàn)：[1]白蓉生.電路板與無鉛焊接.臺(tái)灣電路板產(chǎn)業(yè)學(xué)院：2006.1023附錄：銅鎳錫焊接IMC驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)一、驗(yàn)證目的PCBPad_銅錫球SAC305_錫膏純Ni板錫球SAC305_錫膏Type1:錫球與PCBPad銅焊接Type2:錫球與純Ni板焊接

在與SAC305的錫球焊接過程中，銅和鎳分別扮演什么角色？銅鍍鎳焊接的IMC與Cu6Sn5有何差異？為回答上述問題，進(jìn)行以下驗(yàn)證：分別準(zhǔn)備如下三種模型的樣品進(jìn)行回流焊，灌膠切片，SEM，EDS分析實(shí)驗(yàn)。Type3:錫球與銅材鍍鎳板焊接錫球SAC305_錫膏鍍鎳層銅材25二、驗(yàn)證計(jì)劃NO.焊接類型焊接條件驗(yàn)證項(xiàng)目IMCEDS1PCBCuPad+SAC305錫球SAC305錫膏+空氣√√299.97%純鎳+SAC305錫球助焊膏+氮?dú)狻獭?銅鍍鎳11um+SAC305錫球√√銅鍍鎳22um+SAC305錫球√√銅鍍鎳70um+SAC305錫球√√三、驗(yàn)證方法1、清潔焊盤+刷錫膏

(0.13×?0.45)或助焊膏；2、在錫膏上植錫球；3、過回焊爐；4、切片驗(yàn)證。4.1.結(jié)果總表：四、驗(yàn)證結(jié)果NO.焊接類型焊接條件驗(yàn)證項(xiàng)目IMCEDSSEM厚度(um)Cu(wt%)Ni(wt%)Sn(wt%)1PCBCuPad+錫球錫膏+空氣5.040.80----59.20299.97%純鎳+錫球助焊膏+氮?dú)?.422.8615.9361.213銅鍍鎳11um+錫球4.617.4618.7863.77銅鍍鎳22um+錫球2.021.7117.6360.663.917.3417.9364.73銅鍍鎳70um+錫球結(jié)論：純鎳在刷助焊膏并開氮?dú)猸h(huán)境下與錫球完成焊接，IMC中含有22%的Cu，16%的鎳，此中Cu推斷來源于錫球。而錫球中含銅量僅為0.5%，這說明錫球中的Cu在焊接中會(huì)大量向接口聚集，更多的參與焊接反應(yīng)。四、驗(yàn)證結(jié)果4.2.基恩士OM(OpticalMicroscope)+SEM+EDS；1.G5PCBPad：×100×1000Cu6Sn52.純鎳>99.7%：(助焊膏+氮?dú)?×200×1000來自于錫球(錫膏+無氮?dú)?錫球Cu錫球Cu錫球Ni錫球Ni3.電鍍鎳400u``：3.電鍍鎳1000u``：3.電鍍鎳4000u``：4.2.基恩士OM(OpticalMicroscope)+SEM+EDS；×200×1000×200×1000×200×1000(助焊膏+氮?dú)?(助焊膏+氮?dú)?(助焊膏+氮?dú)?錫球銅鍍鎳銅鍍鎳銅鍍鎳錫球錫球CuCuCuNiNiNi四、驗(yàn)證結(jié)果一、銅錫惡性IMC(Cu3Sn)的生成過程：

焊后初期，SAC/Cu界面存在Cu6Sn5和Cu3Sn兩種金屬間化合物[19],如圖1。隨著等溫時(shí)效,Cu/Cu3Sn界面和Cu3Sn內(nèi)部會(huì)生成Kirkendall空洞并逐漸長大、聚合并沿著界面層形成脫層,如圖5[19]。[19]

ChiuTC,ZengK,StiermanR,EdwardsD,AnoK.EffectofthermalagingonboardleveldropreliabilityforPb-freeBGApackages.Proc.ofElectronicComponentsandTechnologyConference(ECTC2004),LasVegas,Nevada,USA,1-4June,2004.1257～1262.圖1圖5附錄：Cu3Sn惡性IMC對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度的影響[17]XULH,PANGJHL.Effectofinter-metallicandKirkendallvoidsgrowthonboardleveldropreliabilityforSnAgCulead-freeBGAsolde