smt貼片加工SMT 之IMC

簡(jiǎn)介

　　IMC系Intermetallic compound 之縮寫，筆者將之譯為"介面合金共化物"。廣義上說是指某些金屬相互緊密接觸之介面間，會(huì)產(chǎn)生一種原子遷移互動(dòng)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(lǐng)域的狹義上是指銅錫、金錫、鎳錫及銀錫之間的共化物。其中尤以銅錫間之良性Cu6Sn5(Eta Phase)及惡性Cu3Sn(Epsilon Phase)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

定義

　　能夠被錫鉛合金焊料(或稱焊錫Solder)所焊接的金屬，如銅、鎳、金、銀等，其焊錫與被焊盤金屬之間，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"，且事后還會(huì)逐漸成長(zhǎng)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介面之間所形成的各種共合物，統(tǒng)稱Intermetallic Compound 簡(jiǎn)稱IMC，本文中僅討論含錫的IMC，將不深入涉及其他的IMC。

一般性質(zhì)

　　由于IMC曾是一種可以寫出分子式的"準(zhǔn)化合物"，故其性質(zhì)與原來的金屬已大不相同，對(duì)整體焊點(diǎn)強(qiáng)度也有不同程度的影響，首先將其特性簡(jiǎn)述于下：

　　◎IMC在PCB高溫焊接或錫鉛重熔(即熔錫板或噴錫)時(shí)才會(huì)發(fā)生，有一定的組成及晶體結(jié)構(gòu)，且其生長(zhǎng)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(huì)停止

　　◎ IMC本身具有不良的脆性，將會(huì)損及焊點(diǎn)之機(jī)械強(qiáng)度及壽命，其中尤其對(duì)抗勞強(qiáng)度(Fatigue Strength)危害最烈，且其熔點(diǎn)也較金屬要高。

　　◎由于焊錫在介面附近得錫原子會(huì)逐漸移走，而與被焊金屬組成IMC，使得該處的錫量減少，相對(duì)的使得鉛量之比例增加，以致使焊點(diǎn)展性增大(Ductillity)及固著強(qiáng)度降低，久之甚至帶來整個(gè)焊錫體的松弛。

　　◎ 一旦焊墊商原有的熔錫層或噴錫層，其與底銅之間已出現(xiàn)"較厚"間距過小的IMC后，對(duì)該焊墊以后再續(xù)作焊接時(shí)會(huì)有很大的妨礙；也就是在焊錫性(Solderability)或沾錫性(Wettability)上都將會(huì)出現(xiàn)劣化的情形。

　　◎焊點(diǎn)中由于錫銅結(jié)晶或錫銀結(jié)晶的滲入，使得該焊錫本身的硬度也隨之增加，久之會(huì)有脆化的麻煩。

　　◎ IMC會(huì)隨時(shí)老化而逐漸增厚，通常其已長(zhǎng)成的厚度，與時(shí)間大約形成拋物線的關(guān)系，即：

　　δ=k √t，

　　k=k exp(－Q/RT)

　　δ表示t時(shí)間后IMC已成長(zhǎng)的厚度。

　　K表示在某一溫度下IMC

　　的生長(zhǎng)常數(shù)。

　　T表示絕對(duì)溫度。

　　R表示氣體常數(shù)，

　　即8.32 J/mole。

　　Q表示IMC生長(zhǎng)的活化能。

　　K=IMC對(duì)時(shí)間的生長(zhǎng)常數(shù)，

　　以nm / √秒或μm / √日(

　　1μm / √日=3.4nm / √秒。

　　現(xiàn)將四種常見含錫的IMC在不同溫度下，其生長(zhǎng)速度比較在下表的數(shù)字中：

　　表1 各種IMC在不同溫度中之生長(zhǎng)速度(nm / √s)

　　金屬介面20℃ 100℃135℃ 150℃170℃

　　1. 錫/ 金40

　　2. 錫/ 銀0.08 17-35

　　3. 錫/ 鎳0.08 1 5

　　4. 錫/ 銅0.26 1.4 3.8 10

　　[注] 在170℃高溫中銅面上，各種含錫合金IMC層的生長(zhǎng)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。

焊錫性與表面能

　　若純就可被焊接之金屬而言，影響其焊錫性(Solderability)好壞的機(jī)理作用甚多，其中要點(diǎn)之一就是"表面自由能"(Surface Free Energy，簡(jiǎn)稱時(shí)可省掉Free)的大小。也就是說可焊與否將取決于：

　　(1) 被焊底金屬表面之表面能(Surface Energy)，

　　(2) 焊錫焊料本身的"表面能"等二者而定。

　　凡底金屬之表面能大于焊錫本身之表面能時(shí)，則其沾錫性會(huì)非常好，反之則沾錫性會(huì)變差。也就是說當(dāng)?shù)捉饘僦砻婺軠p掉焊錫表面能而得到負(fù)值時(shí)，將出現(xiàn)縮錫(Dewetting)，負(fù)值愈大則焊錫愈差，甚至造成不沾錫(Non-Wetting)的惡劣地步。

　　新鮮的銅面在真空中測(cè)到的"表面能"約為1265達(dá)因/公分，63/37的焊錫加熱到共熔點(diǎn)(Eutectic Point 183℃)并在助焊劑的協(xié)助下，其表面能只得380達(dá)因/公分，若將二者焊一起時(shí)，其沾錫性將非常良好。然而若將上述新鮮潔凈的銅面刻意放在空氣中經(jīng)歷2小時(shí)后，其表面能將會(huì)遽降到25達(dá)因/公分，與380相減不但是負(fù)值(-355)，而且相去甚遠(yuǎn)，焊錫自然不會(huì)好。因此必須要靠強(qiáng)力的助焊劑除去銅面的氧化物，使之再活化及表面能之再次提高，并超過焊錫本身的表面能時(shí)，焊錫性才會(huì)有良好的成績(jī)。

錫銅介面合金共化物的生成與老化

　　當(dāng)熔融態(tài)的焊錫落在潔銅面的瞬間，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，二者在交接口上形成良性且必須者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%。若以少量的銅面與多量焊錫遭遇時(shí)，只需3-5秒鐘其IMC即可成長(zhǎng)到平衡狀態(tài)的原度，如240℃的0.5μm到340℃的0.9μm。然而在此交會(huì)互熔的同時(shí)，底銅也會(huì)有一部份熔進(jìn)液錫的主體錫池中，形成負(fù)面的污染。

　　(a) 最初狀態(tài)：當(dāng)焊錫著落在清潔的銅面上將立即有η-phase Cu6Sn5生成，即圖中之(2)部分。

　　(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，即圖中之(5)。此時(shí)焊錫中之錫量將減少，使得鉛量在比例上有所增加，若于其外表欲再行焊接時(shí)將會(huì)發(fā)生縮錫。

　　(c) 多鉛之阻絕層：當(dāng)焊錫層中的錫份不斷滲走再去組成更厚的IMC時(shí)，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(dá)不沾錫的下場(chǎng)(Non-wetting)。

　　高溫作業(yè)后經(jīng)長(zhǎng)時(shí)老化的過程中，在Eta-phase良性IMC與銅底材之間，又會(huì)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ε-phase(又讀做Epsilon相)。其中銅量將由早先η-phase的40%增加到ε-phase的66%。此種老化劣化之現(xiàn)象，隨著時(shí)間之延長(zhǎng)及溫度之上升而加劇，且溫度的影響尤其強(qiáng)烈。由前述"表面能"的觀點(diǎn)可看出，這種含銅量甚高的惡性ε-phase，其表面能的數(shù)字極低，只有良性η-phase的一半。因而Cu3Sn是一種對(duì)焊錫性頗有妨礙的IMC。

　　然而早先出現(xiàn)的良性η-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，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(diǎn)才有強(qiáng)度。否則焊錫只是在附著的狀態(tài)下暫時(shí)冷卻固化在銅面上而已，這種焊點(diǎn)就如同大樹沒有根一樣，毫無強(qiáng)度可言。錫銅合金的兩種IMC在物理結(jié)構(gòu)上也不相同。其中惡性的ε-phase(Cu3Sn)常呈現(xiàn)柱狀結(jié)晶(Columnar Structure)，而良性的η-phase(Cu6Sn5)卻是一種球狀組織(Globular)。下圖8此為一銅箔上的焊錫經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間老化后，再將其彎折磨平拋光以及微蝕后，這在SEM2500倍下所攝得的微切片實(shí)像，兩IMC的組織皆清晰可見，二者之硬度皆在500微硬度單位左右。

　　在IMC的增厚過程中，其結(jié)晶粒子(Grains)也會(huì)隨時(shí)在變化。由于粒度的變化變形，使得在切片畫面中量測(cè)厚度也變得比較困難。一般切片到達(dá)最后拋光完成后，可使用專門的微蝕液(NaOH

　　50/gl，加1，2-Nitrphenol 35ml/l，70℃下操作)，并在超聲波協(xié)助下，使其能咬出清晰的IMC層次，而看到各層結(jié)晶解里面的多種情況?，F(xiàn)將錫銅合金的兩種IMC性質(zhì)比較如下：

兩種錫銅合金IMC的比較

　　命名分子式 含錫量W% 出現(xiàn)經(jīng)過位置所在 顏色結(jié)晶 性能表面能η-phase(Eta) Cu6Sn5 60% 高溫融錫沾焊到清潔銅面時(shí)立即生成介于焊錫或純錫與銅之間的介面

　　白色 球狀

　　組織

　　良性IMC

　　微焊接強(qiáng)度之必須甚高

　　ε-phase(Epsilon) Cu3Sn 30% 焊后經(jīng)高溫或長(zhǎng)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(dāng)生長(zhǎng)環(huán)境不同時(shí)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之表面呈鵝卵石狀。但若改成錫鉛合金(63/37)之錫膏與熱風(fēng)再銅面上熔焊時(shí)，亦即錫量與熱量不太充足之環(huán)境，居然長(zhǎng)出另一種一短棒狀的IMC外表(注意銅與鉛是不會(huì)產(chǎn)生IMC的，且兩者之對(duì)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(shí)，就會(huì)變成一種非常頑強(qiáng)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(diǎn)之主體焊錫層必須稍厚時(shí)，才能盡量保證焊錫性于不墜。事實(shí)上當(dāng)"沾錫"(Wetting)之初，液錫以很小的接觸角(Contact Angle)高溫中迅速向外擴(kuò)張(Spreading)地盤的同時(shí)，也另在地盤內(nèi)的液錫和固銅之間產(chǎn)生交流，而向下扎根生成IMC，熱力學(xué)方式之步驟，即在說明其假想動(dòng)作的細(xì)節(jié)。

錫銅IMC的老化

　　由上述可知錫銅之間最先所形成的良性η-phase(Cu6Sn5)，已成為良好焊接的必要條件。唯有這IMC的存在才會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度好的焊點(diǎn)。并且也清楚了解這種良好的IMC還會(huì)因銅的不斷侵入而逐漸劣化，逐漸變?yōu)椴涣嫉?epsilon;-phase(Cu3Sn)。此兩種IMC所構(gòu)成的總厚度將因溫度上升而加速長(zhǎng)厚，且與時(shí)俱增。下表3.即為各種狀況下所測(cè)得的IMC總厚度。凡其總IMC厚度愈厚者，對(duì)以后再進(jìn)行焊接時(shí)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IR) 0.03~0.04

　　噴錫板0.02~0.037

　　170℃中烤24小時(shí) 0.22以上

　　125℃中烤24小時(shí)0.046

　　70℃中烤24小時(shí) 0.017

　　70℃中存貯40天0.05

　　30℃中存貯2年 0.05

　　20℃中存貯5年0.05

　　組裝之單次焊接后 0.01~0.02

　　圖12. 錫銅IMC的老化增厚，除與時(shí)間的平方根成比例關(guān)系外，并受到環(huán)境溫度的強(qiáng)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(jìn)而造成鉛份在比例上的不斷增加。一旦當(dāng)IMC的總厚度成長(zhǎng)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。并由底材銅份的無限量供應(yīng)，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(qǐng)務(wù)必注意，一旦環(huán)境超過60℃時(shí)，即使新生成的Cu6Sn5也開始轉(zhuǎn)變長(zhǎng)出Cu3Sn來。一旦這種不良的ε-phase成了氣候，則焊點(diǎn)主體中之錫不斷往介面溜走，致使整個(gè)主體皮膜中的鉛量比例增加，后續(xù)的焊接將會(huì)呈現(xiàn)縮錫(Dewetting)的場(chǎng)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(huì)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，一般規(guī)范都要求錫鉛皮膜層至少都要在0.3mil以上。

　　老化后的錫鉛皮膜，除了不良的IMC及表面能太低，而導(dǎo)致縮錫的效應(yīng)外，鍍銅層中的雜質(zhì)如氧化物、有機(jī)光澤劑等共鍍物，以及錫鉛鍍層中有機(jī)物或其它雜質(zhì)等，也都會(huì)朝向IMC處移動(dòng)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(yàn)及報(bào)告文獻(xiàn)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(yàn)如下∶

　　◎ 在高溫飽和水蒸氣中曝置1~24小時(shí)。

　　◎在125~150℃的干烤箱中放置4~16小時(shí)。

　　◎ 在高溫水蒸氣加氧氣的環(huán)境中放置1小時(shí)；之后僅在水蒸氣中放置24小時(shí)；再另于155℃的干烤箱中放置4小時(shí)；及在40℃，90~95%RH環(huán)境中放置10天。如此之連續(xù)折騰

　　約等于1年時(shí)間的自然老化。在經(jīng)此等高溫高濕的老化條件下，錫鉛皮膜表面及與銅之介面上會(huì)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。

錫金IMC

　　焊錫與金層之間的IMC生長(zhǎng)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(zhǎng)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。幸好仍被大量柔軟的焊錫所包圍，故內(nèi)中缺點(diǎn)尚不曝露出來。又若當(dāng)金層很薄時(shí)，例如是把薄金層鍍?cè)阢~面上再去焊錫，則其焊點(diǎn)強(qiáng)度也很快就會(huì)變差，其劣化程度可由耐疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)周期數(shù)之減少而清楚得知。

　　曾有人故意以熱壓打線法(Thermo-Compression，注意所用溫度需低于錫鉛之熔點(diǎn))將金線壓入焊錫中，于是黃金就開始向四周的焊錫中擴(kuò)散，逐漸形成如圖中白色散開的IMC。該金線原來的直徑為45μm，經(jīng)155℃中老化460小時(shí)后，竟然完全消耗殆盡，其效應(yīng)實(shí)在相當(dāng)驚人。但若將金層鍍?cè)阪嚸嫔?，或在焊錫中故意加入少許的銦，即可大大減緩這種黃金擴(kuò)散速度達(dá)5倍之多。

錫銀IMC

　　錫與銀也會(huì)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(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Silver leaching"。此種焊后可靠性的問題，曾在許多以鈀層及銀層為導(dǎo)體的“厚膜技術(shù)"(Thick Film Technology)中發(fā)生過，SMT中也不乏前例。若另將錫鉛共融合金比例63/37的焊錫成分，予以小幅的改變而加入2%的銀，使成為62/36/2的比例時(shí)，即可減輕或避免發(fā)生此一"滲銀"現(xiàn)象，其焊點(diǎn)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(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)銅面而不被氧化而已，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

　　電子零件之接腳為了機(jī)械強(qiáng)度起見，常用黃銅代替純銅當(dāng)成底材。但因黃銅中含有多量的鋅，對(duì)于焊錫性會(huì)有很大的妨礙，故必須先行鍍鎳當(dāng)成屏障(Barrier)層，才能完成焊接的任務(wù)。事實(shí)上這只是在焊接的瞬間，先暫時(shí)達(dá)到消災(zāi)避禍的目的而已。因不久后鎳與錫之間仍也會(huì)出現(xiàn)IMC，對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度還是有不良的影響。

　　表4. 各種IMC在擴(kuò)散系數(shù)與活化能方面的比較

　　System Intermetallic Compounds Diffusion Coefficient(m2/s) Activation Energy(J/mol)

　　Cu-Sn Cu6Sn5，Cu3Sn 1×106 80,000

　　Ni-Sn Ni3Sn2，Ni3Sn4，Ni3Sn7 2×107 68,000

　　Au-Sn AuSn，AuSn2 AuSn 3×104 73,000

　　Fe-Sn FeSnFeSn2 2×109 62,000

　　Ag-Sn Ag3Sn 8×109 64,000

　　在一般常溫下錫與鎳所生成的IMC，其生長(zhǎng)速度與錫銅IMC相差很有限。但在高溫下卻比錫銅合金要慢了很多，故可當(dāng)成銅與錫或金之間的阻隔層(Barrier Layer)。而且當(dāng)環(huán)境溫度不同時(shí)，其IMC的外觀及組成也各不相同。此種具脆性的IMC接近鎳面者之分子視為Ni3Sn4，接近錫面者則甚為分歧難以找出通式，一般以NiSn3為代表。根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，后者生長(zhǎng)的速度約為前者的三倍。又因鎳在空氣非常容易鈍化(Passivation)，對(duì)焊錫性也會(huì)出現(xiàn)極其不利的影響，故一般在鎳外表還要鍍一層純錫，以提高焊錫性。若做為接觸(Contact)導(dǎo)電用途時(shí)，則也可鍍金或銀。

結(jié)論

　　各種待焊表面其焊錫性的劣化，以及焊點(diǎn)強(qiáng)度的減弱，都是一種自然現(xiàn)象。正如同有情世界的生老病死及無情世界的頹蝕風(fēng)化一樣均遲早發(fā)生，無法避免。了解發(fā)生的原因與過程之后，若可找出改善之道以延長(zhǎng)其使用年限，即為上上之策矣。

smt貼片加工貼片紅膠基本知識(shí)及應(yīng)用指南

　　關(guān)于SMT貼片紅膠：SMT貼片紅膠是一種聚稀化合物，與錫膏不同的是其受熱后便固化，其凝固點(diǎn)溫度為150℃，這時(shí)，紅膠開始由膏狀體直接變成固體。

SMT貼片紅膠的性質(zhì)

　　SMT貼片紅膠具有粘度流動(dòng)性，溫度特性，潤(rùn)濕特性等。根據(jù)紅膠的這個(gè)特性，故在生產(chǎn)中，利用紅膠的目的就是使零件牢固地粘貼于PCB表面，防止其掉落。

關(guān)于SMT加工的IMC，今天就聊到這里，更多SMT相關(guān)知識(shí)請(qǐng)關(guān)注深亞電子