【SMT核心工艺】金属间化合物IMC(Intermetallic Compound)的理解

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一、IMC


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1、焊点的形成过程


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焊点的形成过程可分为三个阶段：焊料润湿（铺展）、基底金属熔合/扩散和金属间化合物（IMC）的形成。


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2、金属间化合物
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8 B" i6 H! s  {" ~. v* Y金属间化合物，英文全称为Intermetallic Compound，缩写为IMC，它是界面反应的产物，也作为形成良好焊点的一个标志。

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在各种焊料合金中，大量的Sn是主角，它是参与IMC形成的主要元素。其余各元素仅起配角作用，主要是为了降低焊料的熔点以及压制IMC的生长，少量的Cu和Ni也会影响IMC的结构。



3 m1 I8 \* n( Q: t在有铅工艺条件下，锡铅焊料与Cu、Ni界面形成的IMC典型形态如下图所示。焊料中只有Sn参与IMC的形成，IMC的成分固定。
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在无铅工艺条件下，由于使用的无铅焊料种类比较多，IMC的成分与形态比较复杂。如在使用SAC305焊料时，焊料与Ni基界面形成的IMC为（Cu、Ni）6Sn5和（Cu、Ni）3Sn4双层三元合金层，如下图 所示，这点不同于有铅焊接。
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5 [0 p2 G5 o* e- k# S1 s二、IMC的形成与发展



+ o3 G1 \/ e$ |  ^5 y! H, l普遍认为，很厚的IMC是一种缺陷。因为IMC比较脆，与基材（封装时的电极、零部件或基板）之间的热膨胀系数差别很大，如果IMC长得很厚，就容易产生龟裂。因此，掌握界面反应层的形成和成长机理，对确保焊点的可靠性非常重要！
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IMC的形成与发展，与焊料合金、基底金属类型、焊接的温度与时间以及焊料的流动状态有关。一般而言，在焊料熔点以下温度，IMC的形成以扩散方式进行，速度很慢，其厚度与时间开方成正比；在焊料熔点以上温度，IMC的形成以反应方式进行，温度越高、时间越长，其厚度越厚，如下图所示。因此，过高的温度、过长的液态时间，将会导致过厚的IMC。

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4 R( r$ p- [8 l5 z5 i在有铅工艺条件下，由于有Pb的抑制作用，Cu与SnPb焊料形成的IMC一般不超过2.5μm。但在无铅工艺条件下，由于Cu在熔融的SAC305中的熔解度比在Sn63/Pb37中的熔解度高8.6倍，因而在与SAC反应时会形成较厚的IMC层，这点不利于无铅焊点的可靠性。
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  N' P: K. t' i0 M- q4 @还有一个现象值得进一步研究，就是当Cu与SAC305首次再流焊接（包括BGA植球过程）形成的IMC较厚时（≥10μm），如果再次过炉焊接，有可能形成超宽的、不连续的块状IMC，这是一种抗拉强度比较低的IMC组织，如果出现在BGA焊点上很可能带来可靠性方面的隐患。


三、与界面扩散有关的断裂失效



1、金脆失效
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如果Au太厚（针对电镀Ni/Au而言，一般应小于0.08μm），则在使用过程中，弥散在焊料中的Au会扩散到Ni/Sn界面附近，形成带状（Ni-Au）Sn4金属间化合物。该IMC在界面上的富集常常导致金脆失效。


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2、界面耦合现象


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  v- Y- P3 T- PPCB焊盘界面上的反应不但与本界面有关，也与器件引脚材料及涂层有关。如焊盘为Ni/Au，而器件引线为Cu合金时，Cu常常会扩散到Ni/Sn界面从而导致界面形成（Cu、Ni）3Sn4—（Cu、Ni）6Sn5，它会导致焊点大规模失效。

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$ M9 H: u6 C5 ?: a1 q- X3、kirkendall空洞


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& i" ]# H1 Z. n% Z% HENIG镀层容易发生著名的kirkendall空洞。


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+ B/ N* E* h! I* h' |& K" \kirkendall空洞与高温老化时间有关，时间越长，空洞越多。如果在125℃条件下，40天就会形成连续的断裂缝。
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四、黑盘
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1、定义



因为焊点断裂面呈灰色、黑色，所以被称为黑盘。
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与黑盘有关的断裂都发生在Sn—Ni界面的IMC下。焊盘颜色越深、IMC越薄，从黑色到黑灰色！
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2、与黑盘有关的三个典型特征
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+ g" Z2 z3 L2 Y6 y1）断裂面（IMC下）可以观察到腐蚀裂纹（泥浆裂缝），如下图所示。裂纹越多，焊点的连接强度越低（裂纹完全不润湿），也越难形成IMC。由于无铅焊点比较硬，受到应力后直接传导到界面，因此，无铅焊点因黑盘失效的情况更多见。


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  X& u1 b" g# a2）从磨光的横截面可以观察到“腐蚀”已经渗透，甚至穿透Ni层到Cu基体，俗称“金刺”特征。


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' g$ O! m) E/ ?3）Ni近表面P含量比较高（达到20%左右，为正常的两倍），但需要指出的是富磷不是导致焊点失效的直接原因。

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普遍认为，很厚的IMC是一种缺陷。因为IMC比较脆，与基材（封装时的电极、零部件或基板）之间的热膨胀系数差别很大，如果IMC长得很厚，就容易产生龟裂。因此，掌握界面反应层的形成和成长机理，对确保焊点的可靠性非常重要！

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在各种焊料合金中，大量的Sn是主角，它是参与IMC形成的主要元素。其余各元素仅起配角作用，主要是为了降低焊料的熔点以及压制IMC的生长，少量的Cu和Ni也会影响IMC的结构。+

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断裂面（IMC下）可以观察到腐蚀裂纹（泥浆裂缝），如下图所示。裂纹越多，焊点的连接强度越低（裂纹完全不润湿），也越难形成IMC。由于无铅焊点比较硬，受到应力后直接传导到界面，因此，无铅焊点因黑盘失效的情况更多见。

瞪郜望源_21

写的确实很有深度和专业性很强，内容全面丰富，很有指导和实用价值，学习下

mqerew

焊点的形成过程可分为三个阶段：焊料润湿（铺展）、基底金属熔合/扩散和金属间化合物（IMC）的形成

瞪郜望源_21

不错不错，写的很专业和很有深度，内容全面丰富，学习了