在印制电路板的smt贴片加工过程中,焊点强度以及后期使用的可靠性越来越受到重视,本文中众焱电子小编探究了沉金板焊接过程中IMC生长机理以及针状IMC导致焊点强度不足,导致早期失效的原因,通过设计不同的热处理条件以及焊料制备样品,通过推拉力手段测试焊点强度,辅以SEM电镜观察焊点断裂面,确认断裂面形貌以及元素组成,进而分析出IMC生长与温度的关系,发现针状IMC产生与Ag元素有关,而且焊点断裂的本质原因是富磷层厚度。
一、实验设计背景
在焊接过程中,通过液态焊料与焊接面间的物理和化学作用,焊料原子会和焊接基底金属发生相互扩散,形成金属共化物(Intermetallic Compound即IMC)。从保护环境和提高电子产品质量等方面而言,近年来关于新型无铅焊料的使用与研究越来越多,特别是Sn-Ag-Cu体系,应用越来越广泛。
对于基底,沉金板可焊性良好,越来越受到客户的喜爱,焊接后,在常温下,IMC性能比较稳定,但是在高温下焊料原子与基底原子间扩散作用加快,IMC厚度变厚,同时形态结构以及组成也会发生变化,虽然针对IMC生长机理以及沉金板的研究已经很多,但是,针对沉金板焊点强度以及针状IMC生长机理和针状IMC导致焊点失效的研究不是很多,本文使用无铅焊料焊接,首先介绍了沉金板IMC生长过程,从IMC生长的机理入手,重点描述针状IMC的产生原因以及导致焊点断裂的本质原因,为优化沉金板焊接参数,提高焊点可靠性提供依据。
二、实验设计
在试验过程中,实验板需要模拟贴装过程,而且后期通过150℃烘烤加快IMC老化过程,表面处理选用沉金,而焊料类型选用无铅焊料,试验过程中的具体设计将分类叙述。
1、实验材料
焊料类型:无铅焊料:Sn-Ag3.5-Cu0.5
2、实验、测试设备及条件
回流炉、烘箱、推拉力仪、金相显微镜以及扫描电镜。
3、试板设计说明
在试验过程中,通过阻焊限定焊盘尺寸,焊盘尺寸为0.4mm,锡球尺寸为0.45mm。
4、试验参数
1)回流曲线以及参数
影响IMC生长以及焊点强度的因素有预热升温速率,峰值温度以及液相温度217℃以上的时间,为了保证焊接质量,参数参考表一。
表一
预热温升@[50~150] |
浸温时间@[150~200] |
峰值温度 |
1~3单位 |
60~120 |
[235~250] |
217℃以上的时间 |
冷却速率1@[200] |
下降平均斜率 |
60~90 |
-4~-1 |
|
2)烘烤条件:
通过恒定温度,不同加热时长加快IMC生长,加热温度为150℃,烘烤时长分别设置为0h,21h,38h,115h,165h。
3)测试评估方法及参考标准
业内焊点可靠性评估主要针对的是机械强度方面的测试,方法主要有拉伸及剪切试验、跌落以及振动试验等。而其中拉伸及剪切试验要求、操作相对简便因而应用相对广泛。参考标准JESD22-B117(BGA Ball Shear),其针对试验后的失效模式对焊点强度进行相应的评估。
剪切测试中,断裂面产生点即为焊点强度最为薄弱的位置。在保证焊盘润湿良好的情况下,若剪切试验后,断裂面发生在非界面位置,均可认为焊点强度良好。而若断裂面发生于界面时,即反映出焊接界面形成的金属间化合物强度相对薄弱,因而通常情况下该种失效模式被认为是一种劣性的失效模式,在试验过程中,按照JESD22-B117标准,剪切速率采用高速模式,剪切速率为200mm/s。
具体的实验结果与讨论可查看《针状IMC导致smt焊点失效的原因分析及结果讨论》一文。
四、结论
在smt贴片打样或加工过程中,焊料组分、焊接条件以及表面处理方式对焊点强度以及可靠性都有很大影响,本文通过设计不同表面处理、焊接条件以及有铅与无铅焊料讨论沉金板IMC生产机理与针状IMC产生机理,并且探究了针状IMC导致焊点断裂的根本原因,并且得到以下结论:
1、当Sn-Ag-Cu焊料组分中,焊料中的Cu含量在0.5%wt,IMC组分存在两种:(Cu,Ni)6Sn5以及(Ni,Cu)3Sn4,而且优先形成(Cu,Ni)6Sn5;在回流焊2次之后,150℃恒温烘烤165h过程中,IMC厚度以及焊点强度几乎没有改变,IMC形貌为上层颗粒状,下层为层状。
2、在沉金板IMC中,针状IMC形貌的形成需要有Ag元素的参与;Cu-Sn基底不会形成针状IMC。针状IMC不会直接导致焊点断裂,但是针状IMC形成可以导致富磷层迅速增厚,焊点可靠性可能降低。焊点断裂的本质原因是富磷层过厚,导致焊点强度下降,可靠性严重降低。
3、焊接过程中,液态焊料向基底扩散主要由液相线以上的时间决定,当此时间超过220s时,IMC形貌转变为针状,富磷层开始急剧增厚。当液相线以上的时间超过343.5s时,焊点强度急剧下降,焊点断裂面主要发生在富磷层。
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