IMC生長(zhǎng)對(duì)焊盤(pán)潤(rùn)濕性能的影響

陳黎陽(yáng) 喬書(shū)曉 尤志敏 李雄輝

深圳市興森快捷電路科技股份有限公司

1 前言

電子組裝技術(shù)中，焊接起著連接和支撐電子元件和電路板的作用，焊接可靠性直接關(guān)系著產(chǎn)品的功能實(shí)現(xiàn)及性能穩(wěn)定。在無(wú)鉛化過(guò)渡轉(zhuǎn)換的大背景下，焊接可靠性的問(wèn)題倍受關(guān)注，在焊接過(guò)程中，焊料與PCB基板上的焊盤(pán)會(huì)形成各種各樣的金屬間化合物 （IMC），IMC的形成是焊接必不可少的一個(gè)過(guò)程，沒(méi)有IMC就無(wú)法形成有效的焊接。IMC的形成受焊料合金成分的影響，也受PCB基板所采用表面處理的影響，不同表面處理在焊接過(guò)程中形成的IMC也會(huì)有所差別。

無(wú)鉛熱風(fēng)整平作為適應(yīng)無(wú)鉛化的一種選擇，近些年得到發(fā)展。熱風(fēng)整平是在焊盤(pán)上覆蓋一層焊錫，實(shí)際上在熱風(fēng)整平完成后，焊料與PCB焊盤(pán)銅基之間已然形成IMC（附圖6），這種IMC結(jié)構(gòu)的形成，對(duì)于后續(xù)的SMT回流貼裝非常有利，為后續(xù)組裝焊接提供了前提保障，有利于獲得良好的冶金效果。這也是為什么有鉛熱風(fēng)整平在之前一直是最受歡迎的一種表面處理，包括現(xiàn)在仍有許多客戶(hù)堅(jiān)持采用有鉛熱風(fēng)整平。但是PCB焊盤(pán)上IMC的過(guò)度生長(zhǎng)也會(huì)帶來(lái)負(fù)面效果，會(huì)導(dǎo)致基板可焊接性能下降。本文作者對(duì)此問(wèn)題做了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并就無(wú)鉛熱風(fēng)整平的IMC生長(zhǎng)與控制進(jìn)行了探討，以期為實(shí)踐中解決此表面處理的可焊性問(wèn)題提供一些思路和參考。

2 實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)Ⅰ：不同基板上潤(rùn)濕性能的評(píng)估

2.1.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用鋪展率的實(shí)驗(yàn)法測(cè)試同種錫膏在不同基板上的鋪展率，對(duì)比潤(rùn)濕性能。

鋪展率P＝(S2-S1)/S1×100%

S1：回流前所印的錫膏面積（即鋼網(wǎng)開(kāi)窗面積），S2：回流后錫膏的擴(kuò)展面積。

焊膏為SAC305，使用同一鋼網(wǎng)印刷錫膏，回流后拍照利用圖形軟件計(jì)算面積進(jìn)行對(duì)比。

2.1.2 試板獲得

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)比四種基板，取5 mm×5 mm焊盤(pán)：

A：銅面——PCB在阻焊完成后的裸銅焊盤(pán)，經(jīng)過(guò)NPS微蝕后包裝存儲(chǔ)；

B：錫面——無(wú)鉛熱風(fēng)整平完成后的焊盤(pán)；

C：合金面——無(wú)鉛熱風(fēng)整平完成后焊盤(pán)經(jīng)過(guò)化學(xué)藥水蝕刻，將焊盤(pán)表層錫層清除，得到完全合金暴露的焊盤(pán)；

D：合金氧化面——將合金暴露的焊盤(pán)置于150 ℃×2 h進(jìn)行高溫氧化后獲得。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

回流后鋪展的效果圖（圖1）。

圖1 鋪展后效果圖

圖2 鋪展率柱形圖

實(shí)驗(yàn)鋪展率：正常錫面＞合金＞銅面＞合金氧化；

2.1.4 實(shí)驗(yàn)分析

從實(shí)驗(yàn)可知：正常的合金界面其潤(rùn)濕性能良好，其鋪展性能甚至優(yōu)于銅面；但合金界面在被氧化后，其鋪展性能變的非常差，鋪展率很小，幾乎不被潤(rùn)濕。

根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)單板上被錫面覆蓋的焊盤(pán)，如合金過(guò)度生長(zhǎng)，到達(dá)表面且被氧化后，焊盤(pán)的潤(rùn)濕性能會(huì)嚴(yán)重下降。且有研究表明，IMC過(guò)厚導(dǎo)致焊點(diǎn)變脆，抗疲勞能力下降；而單板焊盤(pán)作為元器件焊接的載體，從潤(rùn)濕性能角度出發(fā)，IMC生長(zhǎng)及控制顯得尤為重要，下面對(duì)此問(wèn)題做探討。

2.2 實(shí)驗(yàn)Ⅱ 熱時(shí)效與IMC生長(zhǎng)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

因IMC界面形成的高度起伏較大（圖3），單點(diǎn)的測(cè)量方法難以準(zhǔn)確衡量其實(shí)際生長(zhǎng)情況。為準(zhǔn)確衡量其厚度分布，本次實(shí)驗(yàn)以測(cè)試單位長(zhǎng)度上IMC的平均厚度作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試樣取垂直切片,切片經(jīng)過(guò)藥水蝕刻后得到IMC的垂直界面；用SEM/EDX以確定界面成分并采用圖形軟件測(cè)量IMC的面積，面積除以截圖的長(zhǎng)度得到平均厚度。

圖3 IMC不規(guī)則分布圖

2.2.2 試板獲得

完成無(wú)鉛熱風(fēng)整平后的樣板，在烤箱中進(jìn)行不同條件的烘烤，以觀察IMC隨熱時(shí)效應(yīng)的變化情況。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 IMC熱效應(yīng)生長(zhǎng)趨勢(shì)圖

2.4 實(shí)驗(yàn)分析

可以看出，IMC隨著熱時(shí)效的延長(zhǎng)，不斷的增長(zhǎng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為防止IMC過(guò)度生長(zhǎng)，無(wú)鉛熱風(fēng)整平完成后，即涂覆上錫層后的單板應(yīng)盡量減少熱效應(yīng)的作用。同時(shí)表面錫厚應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，以延緩IMC生長(zhǎng)完全吞食表面錫層的過(guò)程，避免IMC裸露出表面而導(dǎo)致IMC被氧化的現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)Ⅲ IMC重熔的影響

3.1 實(shí)驗(yàn)方法：IMC厚度測(cè)試參照實(shí)驗(yàn)Ⅱ方法

3.2 試板獲得

完成無(wú)鉛熱風(fēng)整平后的樣板,同等條件下進(jìn)行不同次數(shù)的返工（即返無(wú)鉛噴錫），考察重熔時(shí)IMC的變化情況。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 IMC隨返工生長(zhǎng)趨勢(shì)圖

3.4 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出IMC隨返工次數(shù)的增加而增長(zhǎng)。結(jié)合Sn-Cu二元合金相圖，IMC主要成分為Cu6Sn5（如圖6示），其熔點(diǎn)達(dá)到415 ℃，而無(wú)鉛熱風(fēng)整平的錫爐溫度在260 ℃ ～ 290 ℃之間，所以實(shí)際上IMC在常規(guī)的操作溫度下是無(wú)法熔解的，此時(shí)主要以擴(kuò)散方式進(jìn)行。

單板在進(jìn)行返工時(shí)，其焊盤(pán)已經(jīng)存在IMC，根據(jù)擴(kuò)散理論，此時(shí)IMC界面存在兩種反應(yīng)，一種是生長(zhǎng)反應(yīng)，一種是分解反應(yīng)。生長(zhǎng)反應(yīng)是指IMC兩邊Cu基與Sn基之間相互擴(kuò)散形成新的IMC沉積。當(dāng)熔融焊料液體中，Cu含量未達(dá)到飽和度時(shí)，則IMC同時(shí)存在分解反應(yīng)。只要生長(zhǎng)反應(yīng)的速度大于分解反應(yīng)，那么IMC就會(huì)不斷的增厚。而但當(dāng)IMC越厚時(shí)，Sn及Cu原子穿越IMC的擴(kuò)展速度會(huì)減緩，又會(huì)降低IMC的沉積速率，這也體現(xiàn)在第3次返工后IMC生長(zhǎng)速率趨于緩慢。

圖6 SEM/EDX分析圖

根據(jù)EDX的結(jié)果，IMC層組成中，Ni為微量元素在焊料中含量0.025%～0.1%之間，而IMC層的Ni元素含量為3.9%，說(shuō)明微量的Ni元素富集于IMC層的位置，形成（Cu，Ni）6Sn5的合金組成，有研究表明，這一合金組成對(duì)IMC的生長(zhǎng)有抑制作用。

4 總結(jié)

（1）IMC生長(zhǎng)只有在被氧化后才會(huì)嚴(yán)重影響到焊盤(pán)的潤(rùn)濕性能,這也是無(wú)鉛熱風(fēng)整平出現(xiàn)可焊性不良的一種潛在的失效模式。

（2）為防止焊盤(pán)上IMC的過(guò)度生長(zhǎng)而裸露，應(yīng)該盡量減少在熱風(fēng)整平完成后進(jìn)行的熱時(shí)效應(yīng)，并且對(duì)表面錫層厚度做適度的控制。

（3）無(wú)鉛熱風(fēng)整平在進(jìn)行返工過(guò)程中，對(duì)IMC生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，IMC生長(zhǎng)速率呈前高后低的趨勢(shì)。

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