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smt焊点断裂的本质原因是富磷层厚度。通过众焱电子小编研究,可以为沉金板焊接参数优化,防止焊点早期失效,为提高焊点可靠性提供依据。
1、简介
通过IMC生长过程可知,IMC生长主要由焊接温度以及时间决定,因此,设置不同温度考察IMC生长过程,后续试验在烘箱中进行,同时在实际smt贴片打样或加工过程中,断裂面的位置以及断裂强度更受关注,高速剪切模式制取样品比较复杂,因此在后期试验过程中,通过低速剪切模式进行试验。
2、不同焊接温度对IMC生长的影响
回流焊测试过程中,峰值温度为243℃,230℃以上的时间在30s左右,因此,在试验过程中,试验条件:其中,最高温度分别设置为230℃,240℃,250℃,260℃,高温结束后,从烘箱中将样品快速拿出,室温冷却。
由第一张高温260℃电镜照片可以发现,在界面上针状IMC有单点快速生长的趋势。而不同温度下,在230℃烘烤过程中,IMC形貌主要是层状与颗粒状共存,与回流焊2次时的数据相符,但是在240℃试验中,IMC形貌出现针状,在250℃与260℃时,针状IMC特征越来越明显,对于富磷层而言,在230℃时,富磷层厚度只有278nm,但是在240℃时,富磷层厚度为794nm,,富磷层厚度变化明显。
同时由推拉力测试结果表五可知,230℃烘烤的样品力值较高,焊点平均值为1229.4g,最小值为1112g,断裂在IMC位置的比例为零,但是在260℃烘烤过程中,焊点剪切力平均值只有896.2g,特别有些焊点剪切力力值只有400g,焊点强度明显下降,力值低于700g的焊点断裂位置在IMC内部,断裂比率达到26.3%,而230℃制作的样品断裂位置全部在焊料内部,这说明因焊接温度升高,断裂在IMC位置的焊点数目增加,焊点可靠性下降。
对断裂面进行电镜扫描,通过断裂面形貌可以发现,在断裂面中存在一些黑色圆点区域,对该区域进行元素扫描,发现260℃断裂面的原子个数含量为P-19.3%,Ni-74.96,P:Ni的原子个数比接近于1:3,即原子组成为Ni3P,断裂面在富磷层。而230℃形成的焊点断裂面全部在焊料内部。
3、焊点强度下降的本质原因
虽然,在试验中发现,产生针状IMC时,富磷层快速生长,但是,导致焊点强度下降的因素还是没有确定,因此,通过其它表面处理-水金进行对比,找出焊点断裂的本质原因。在试验过程中,烘箱高温为260℃,使用无铅焊料,烘箱升温过程与不同烘烤时长的条件相同,切片形貌如水金板IMC形貌系统,形貌仍然为针状,但是与不同温度下,IMC生长形貌的形状存在差异,沉金板针状IMC为单点式生长,而水金板针状IMC在界面均匀生长,通过推拉力测试,断裂面发生在焊料内部,而且剪切力值比较大,平均值在1079.5g,远远大于沉金板剪切力力值,而且焊点断裂在IMC位置的情况没有出现。
按照两种表面处理不同针状IMC对比可知,在高温260℃下,沉金板焊点强度较小的本质原因是富磷层过厚,导致焊点在富磷层处容易断裂。
4、针状IMC产生的原因
通过实验可以发现,实验中将温度从230℃变为240℃过程中,IMC形貌开始出现针状结构,同时表四数据说明,此时,富磷层从278nm快速生长为794nm,虽然焊点强度下降的直接原因不是针状IMC,但是针状IMC导致富磷层快速生长,进而降低焊点强度,因此,了解针状产生原因就显得尤为重要。
为了探究以上问题,我们对样品IMC进行元素分析,通过对沉金以及水金IMC进行元素分析发现,IMC组成元素为Ni,Cu,Ag,Sn四种元素,而正常IMC组成元素是Ni,Cu,Sn三种元素。可见,Ag元素对IMC形貌产生了影响,如果没有Ag元素,IMC形貌就不会产生针状IMC,而且已经通过理论计算提出Ni,Cu,Sn,Ag四相合金的存在,这次研究也从侧面证明了这个论点。
由于无铅焊料成分为Sn,Cu,Ag三种元素,有铅焊料成分为Pb,Sn两种元素,那么,有铅焊料形成的IMC结构就应该没有针状产生,IMC形貌正常。另外,在试验中,还研究了Cu-Sn基底的影响,对于表面处理OSP形成的IMC形貌不是针状的,而是贝壳状,可见,Cu-Sn基底或者有铅焊料组成的IMC都没有出现针状形貌。因此,形成针状IMC需要有Ag,Ni元素的参与。推拉力测试结果显示,有铅焊料以及OSP形成的焊点强度比较大,焊点可靠性良好。
5、总结
综上所述,沉金板针状IMC产生需要三点:高温、元素Ag、沉金,同时,针状IMC不是导致沉金板焊点失效的本质原因,本质原因是富磷层过厚,当富磷层厚度超过一定厚度时,焊点将比较容易失效;但是针状IMC是导致焊点失效的间接原因,针状IMC产生可以加快沉金基底Ni-P层Ni的扩散,进而导致富磷层快速加厚,因而沉金基底应该防止针状IMC产生。
为了防止针状IMC产生,控制焊接参数显得尤为重要,针状IMC产生温度在230℃与240℃之间,因此,在实验过程中,将高温设置为235℃,其它条件不变。从中可以发现,针状IMC单点生长刚刚出现,通过炉温测试仪测试板面温度,发现峰值温度只有223.8℃,但是液相线217℃以上的时间为224s,而回流焊模拟smt时,峰值温度为243℃,液相线以上的时间只有77.6s,这说明在焊接过程中,IMC生长主要由液相线以上焊接时间决定。试验还发现,在高温250℃,高温保持时间设定在120s时,焊点强度开始下降,断裂面发生在富磷层,此时,炉温测试仪测量显示峰值温度为238.5℃,液相线以上的时间为343.5s。
在焊接过程中,熔融的焊料与基底相互扩散,但是,扩散过程还是以液态向固态扩散为主,即焊料向基底扩散速率为主,焊料熔融时间越长,焊料向基底的扩散量也就越大,而IMC生长过程中,Cu元素是无限的,IMC的生长由Ni,Ag等焊料组分决定,焊料的扩散量越大,IMC厚度也就越高,因此在实际焊接过程中,应该严格控制液相线以上的时间。
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