无铅焊接的IMC与锡须(一)IMC的不同面貌
锡对铜的焊接,其介面间必须先要生成Cu6Sn5的良性IMC,才算沾锡(Wetting)与形成焊点(Solder Joint),也才宣告完成牢固的焊接(Soldering)。否则只是不堪一击的冷焊(Cold Soldering)或虚焊假焊而已。机械式的振动试验与摔落试验,正是检查其等是否“焊牢”的立即手段。而长期之温度循环试验,则又是针对已焊牢的状况下,继续考验其焊点之可靠度(Reliability)如何。读者们必须瞭解,IMC才真正是焊接或焊点的基础,通常只凭外观实做与大量品检之现场经验,或一厢情愿以讹传讹积非成是而又漠视科学真理者,均属白莲教徒类半桶水式的专家。
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此为铜底镀纯锡后,其介面间常温所自然生长Cu6Sn5的I MC,与高温加速生长较厚之IMC,其侧视与俯视之对应情形。后者系将纯锡层剥蚀掉,但却留下顽强I MC h,~精采突起的画面
图1、此为铜底镀纯锡后,其介面间常温所自然生长Cu6Sn5的IMC,与高温加速生长较厚之IMC,其侧视与俯视之对应情形。后者系将纯锡层剥蚀掉,但却留下顽强IMC的精采突起的画面
此为EN I G表面处理的焊垫,经Sn63/Pb3 7焊接后所长出N i 3Sn4的I MC。左图为400倍右图为2000倍,因系经S EM所摄影故只能以黑白昼面呈现
图2、此为ENIG表面处理的焊垫,经Sn63/Pb37焊接后所长出Ni3Sn4的IMC。左图为400倍右图为2000倍,因系经SEM所摄影故只能以黑白昼面呈现
为了进一步认知无铅焊接的IMC,与透析无铅或高锡量焊接所引发的锡须,特大量阅读极多最新文献,并小心实做微切片下,整理成本文以分享给广大的业者与读者。
有铅焊接时,真正参与介面之间焊点结合者,只有锡金属本身而已,铅的角色与功用容后再述。如今无铅时代即将到来,主流之锡银铜合金〈ASC305或SAC405〉焊料,或其他各种各样的无铅焊料,其中能够参加介面结合者,仍然只有锡而已。换句话说球队中能够射门或投篮者,永远都只是锡金属而已。其他虽然都是配角, 但其等重要性与必要性却不容忽现。
此为无铅锡膏(S nAg 3.8C u 0.7)焊在铜面上,经微切片抛光与微蚀后所看到三种不同的I MC;即介面I MC (C u6S n5),针状IMC(A g3S n)与枝桠间C u6S n5的IMC
图3、此为无铅锡膏(SnAg3.8Cu0.7)焊在铜面上,经微切片抛光与微蚀后所看到三种不同的IMC;即介面IMC(Cu6Sn5),针状IMC(Ag3Sn)与枝桠间Cu6Sn5的IMC。
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左图为Auger电子显微镜所见到纯锡凸块承垫(UBM)的铜面上,经熔焊沾锡所呈现的剖面图 (蓝色是铜,红色是锡,中间粉色者即为C u 6S n:的I MC)o右图系将原切样再经欧杰式电子显微镜内部之氩气溅射后,所见到三种不同组成的清晰画面
图4、左图为Auger电子显微镜所见到纯锡凸块承垫(UBM)的铜面上,经熔焊沾锡所呈现的剖面图 (蓝色是铜,红色是锡,中间粉色者即为Cu6Sn5的IMC)o右图系将原切样再经欧杰式电子显微镜内部之氩气溅射后,所见到三种不同组成的清晰画面
一、介面良性的IMC
可与锡金属构成焊点介面结合者,电子工业中也只用到铜(C u)与镍(N i)做为焊点的基地而已。也就是高温中在铜面上瞬间反应,化合成为六铜五锡的化合物,Cu6Sn5, eta phase,或在镍面上形成三镍四锡之另一种化合物,唯有如此方可完成沾锡与焊牢。至有关PCB承接的焊垫(含孔环孔壁),其等表面处理诸如喷锡,OSP、I-Ag、I-Sn等,都是以Cu6Sn5的IMC所焊牢。至于ENIG或电镀镍金,则是在镍面上长出另一种焊点;通常铜面IMC之成长速度与强度,都超过镍面IMC o此等良性的IMC是焊接的先决条件,未能形成IMC者就根本没焊牢。无法生成良性IMC的原因很多,如:
1.铜面或镍面遭到较严重的污染,连助焊剂也清除不掉。
2.热量不足无法完成IMC的化合反应.
3.无铅焊接时遭到少量的铅污染或铋含量,高温中此二杂质会迅速栘往铜面与镍面,进而阻止了IMC的生成反应。
以上种种结合力付之阙如的焊接,经常被称为冶焊、虚焊,或假焊。
图5、为200℃下铜面生长的eta-IMC,于不同时间点长厚长大而经SEM的扫视图。
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为200℃下铜面生长的eta-IMC,于不同时间点长厚长大而经SEM的扫视图
图6、此为刻意将镍面与铜面,以无铅锡膏在250℃下所分别熔焊10秒、30秒,与1分钟后,再经切片微蚀后採SEM放大1500倍而见到镍面IMC的变化,与铜面IMC不断长厚的对比情形。
二、老化后介面间的恶性IMC
上述IMC之所以形成,说穿了就是清洁的固体铜与固体镍的表面,在高温中迅速迁移(Migration)参与到液态的锡金属中去,也可说是溶化到液锡中。冷却固化后其介面即已形成了良性的IMC ,彼此也就强力的结合而焊牢了 。
然而完成焊接的后续日子裡,固体铜与固体锡之间的相互迁移并未停止,其中铜的移动速率比锡要快〈比镍溶在液锡中的速率要快40倍以上,也就是老化或劣化的较快),致使长时间放置后,在原本的Cu6Sn5与底铜之间,又逐渐长出了一种恶性IMC的Cu3Sn。一旦如此则銲点强度将逐渐弱化,其老化与衰败也正如同生物的老病与死亡一样,是无法阻止的自然法则;且在高温环境中还会加速老化的进行。
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此为铜面Cu6Sn5的eta-IMC,分别在室温与5 5℃中,经历长时间老化所长厚的趋势图。
图7、此为铜面Cu6Sn5的eta-IMC,分别在室温与5 5℃中,经历长时间老化所长厚的趋势图。
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此为BGA无铅球脚採无铅锡膏在铜垫上完成焊接,又刻意在150℃高温放置32天后之微切片画面。此时Eta-IMC与底铜之间已长出清晰可见的Cu6Sn5恶性Epsilon IMC。此等过度老化之銲点实际上已经非常脆弱了
图8、此为BGA无铅球脚採无铅锡膏在铜垫上完成焊接,又刻意在150℃高温放置32天后之微切片画面。此时Eta-IMC与底铜之间已长出清晰可见的Cu6Sn5恶性Epsilon IMC。此等过度老化之銲点实际上已经非常脆弱了。
三、焊点中的Dendrite IMC
介面间的IMC是良性焊接的必要条件,但銲点中枝桠状四分五裂的IMC,却是对焊接强度有害的癌细胞。介面间必须产生良性的IMC,才能完成可靠的焊接,故知介面中的IMC是件绝对必要的好事。然而一旦銲点中也出现了零星分散式的1^10:而造成不均相的分佈者,则对銲点强度而言那就大大的不妙了 。从各种老化试验以及銲点开裂的分析可知,都是肇始于銲点中不该有的IMC。此种不均相的枝晶,由于其CTE与均相銲料者颇有差异, 长期热胀冷缩中,不免会与週遭均相銲料步调不同发生扞格,进而由初始的微裂, 逐渐发展成分崩离析的开口大裂。
此三图均为SAC无铅焊点冷焊料都会发生非均质结构式却后所出现的微裂情形
图9、此三图均为SAC无铅焊点冷焊料都会发生非均质结构式却后所出现的微裂情形,不管是熔焊或波焊只要是LF銲料都会发生非均质结构式的的微裂,只有在焊后瞬间迅速降温(5—6℃/sec)扰乱其晶出固化过程下,才可能减少一些微裂的瑕疵。
已延用多年的有铅焊接,其焊料中选择铅金属做为伙伴,做为稀释剂,做为合金,在工程技术方面都是绝对明智的选择。因为铅不会与锡形成IMC,又可以任何比例很容易与锡组成合金 ,所以不会削弱焊点强度,也不致造成后患。不幸的是在无铅的SAC中,不但铜会与锡在焊点中生成针状的IMC,银也会与锡形成窄条而四处乱射的IMC,二者老化中均不免大扯强度的后腿。
有铅焊接以波焊为例,一旦焊料中的铜污染(来自的焊垫与零件脚)超过重量比1%时,焊点切片中即可见到如箭一般射出的Cu6Sn5枝晶。SAC 305冷却后的焊点,不但组织非常粗糙,而且抛光截面上微蚀后,还一定会见到三银一锡长条状的白色IMC(Ag3Sn)。黄金溶人液锡的速率则更快(是镍的1150倍),常以AuSn、AuSn2或AuSn4等结合方式出现,只是其DendriteS较小不太明显而已,一旦重量比超过3%时,其焊点还会出现容易开裂的“金脆”。
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此三图分别为S n A g与S A C两种L F焊料,在焊点内所出现板状条状的Ag3Sn不良Dendrite式IMC,对长期可靠度会有不良的影响
图10、此三图分别为SnAg与SAC两种LF焊料,在焊点内所出现板状条状的Ag3Sn不良Dendrite式IMC,对长期可靠度会有不良的影响。
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此为最常见锡与铅两相合金的“金相平衡图”
图11、此为最常见锡与铅两相合金的“金相平衡图”,其中的Sn63/Pb37正是梦寐以求的共晶组成,也正是熔点最低最理想的均质焊料,其固化与液化过程并未通过浆态,是不易开裂的最佳合金。