无铅焊料金属间化合物形成机理和影响

2022-07-08

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无铅焊料金属间化合物形成机理和影响

1. 焊接界面金属间化合物介绍

目前主流和无铅焊料有锡银铜和锡铋类型。在使用无铅焊料与铜/镍焊盘进行焊接时，由于扩散机制的作用，在焊料和焊盘的界面处出现原子的扩散，并形成金属间化合物(IMC)。例如SAC305焊料和焊盘界面会形成IMC如(Cu,Ni)₆Sn₅等。IMC的生成可以分为四个阶段，包括溶解，扩散，凝固和反应过程。在回流过程中焊料的原子扩散到基板表面并通过界面反应形成IMC。在降温后IMC在焊料中积累。扩散过程可以用Fick第一定律表示。

m: 扩散量

D: 扩散系数

S: 接触面积

dc/dx: 扩散元素浓度梯度

dt: 扩散时间

2. SAC305微凸点IMC生长机制

当SAC305焊料与镍焊盘形成微凸点后，在焊盘与焊料中间出现了IMC层。由横截面背散射图（BSE）可见 (图1)，镍焊盘一侧的黑色薄层的IMC为Ni₃P，针状IMC为(Ni,Cu)₃Sn4,体型稍小的白色状颗粒IMC为Ag₃Sn。界面处最开始时生成IMC为(Cu,Ni)6Sn5，但是随着Cu含量消耗(Cu,Ni)₆Sn₅开始溶解。Cu原子析出进入到Ni₃Sn₄并取代了Ni的位置形成（Ni,Cu)₃Sn₄。

焊料中的Cu含量是影响Ni/SnAgCu界面IMC的主要因素 (Tian et al., 2013)。当Cu的含量在0.4-0.6%，界面形成(Cu,Ni)₆Sn₅ 和（Ni,Cu)₃Sn₄。而小于该范围则生成（Ni,Cu)₃Sn₄ 。大于该范围则是(Cu,Ni)₆Sn₅。此外实验发现Ni原子能够降低Cu原子在锡焊料中的溶解度并影响(Cu,Ni)₆Sn₅的生长(Tian et.al., 2013)。

原子间的扩散是持续进行的。研究发现在IMC层随温度和时间增加而变厚。由下表可知，更高的峰值温度和更长加热时间使IMC的厚度增大。

表1: IMC厚度和温度时间的关系。

3. 金属间化合物的影响

较薄且均匀分布的IMC可以对焊点起到增强作用。但是IMC本身是脆性，在热老化作用下会出现大片块状的IMC，导致焊点内部应力增加并加大焊点脆性，在受到外力作用下会使焊点出现裂纹并导致失效。SAC305 微凸点与铜焊盘完成焊接后，长时间的热老化会在Cu焊盘一侧催生Cu₃Sn并削弱焊点强度。

4. 参考文献

Tian, Y., Wu, Y.P., An, B., & Long, D.F. (2013). The Formation and Growth of Intermetallic Compound at the Interface of Fine-Pitch Flip-Chip when Interconnecting”, Transactions of the China Welding Institution, 34(10).


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