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界面金属层IMC对SMT焊接品质的影响

放大字体  缩小字体 发布日期:2011-01-19  浏览次数:725
核心提示:锡铜焊接过程,在二种金属之间会形成一个界面金属IMC层。厚度为1.5mm到4.0mm,太薄太厚都会影响焊点的强度。其形成与扩散机理相关,在溶点下,可以增长一部分,换言之,冷却速度也能影响其厚度。 IMC广义上说是指某些金属相互紧密接触之介面间,会产生一种原子迁移互动的行为,组成一层类似合金的"化合物",并可写出分子式。在焊接领域的狭义上是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物。其中尤以铜锡间之良性Cu6Sn5(Eta Phase)及恶性Cu3Sn(Epsilon Phase)最为常见,对焊锡性及焊

   一、定义

 

  能够被锡铅合金焊料(或称焊锡Solder)所焊接的金属,如铜、镍、金、银等,其焊锡与被焊底金属之间,在高温中会快速形成一薄层类似"锡合金"的化合物。此物起源于锡原子及被焊金属原子之相互结合、渗入、迁移、及扩散等动作,而在冷却固化之后立即出现一层薄薄的"共化物",且事后还会逐渐成长增厚。此类物质其老化程度受到锡原子与底金属原子互相渗入的多少,而又可分出好几道层次来。这种由焊锡与其被焊金属介面之间所形成的各种共合物,统称Intermetallic Compound 简称IMC,本文中仅讨论含锡的IMC,将不深入涉及其他的IMC。

 

  二、一般性质

 

  由于IMC曾是一种可以写出分子式的"准化合物",故其性质与原来的金属已大不相同,对整体焊点强度也有不同程度的影响,首先将其特性简述于下:

 

  ◎ IMC在PCB高温焊接或锡铅重熔(即熔锡板或喷锡)时才会发生,有一定的组成及晶体结构,且其生长速度与温度成正比,常温中较慢。一直到出现全铅的阻绝层(Barrier)才会停止(见图六)。

 

  ◎ IMC本身具有不良的脆性,将会损及焊点之机械强度及寿命,其中尤其对抗劳强度(Fatigue Strength)危害最烈,且其熔点也较金属要高。

 

  ◎ 由于焊锡在介面附近得锡原子会逐渐移走,而与被焊金属组成IMC,使得该处的锡量减少,相对的使得铅量之比例增加,以致使焊点展性增大(Ductillity)及固着强度降低,久之甚至带来整个焊锡体的松弛。

 

  ◎ 一旦焊垫商原有的熔锡层或喷锡层,其与底铜之间已出现"较厚"间距过小的IMC后,对该焊垫以后再续作焊接时会有很大的妨碍;也就是在焊锡性(Solderability)或沾锡性(Wettability)上都将会出现劣化的情形。

 

  ◎ 焊点中由于锡铜结晶或锡银结晶的渗入,使得该焊锡本身的硬度也随之增加,久之会有脆化的麻烦。

 

  ◎ IMC会随时老化而逐渐增厚,通常其已长成的厚度,与时间大约形成抛物线的关系,即:

 

  δ=k √t,

 

  k=k exp(-Q/RT)

 

  δ表示t时间后IMC已成长的厚度。

 

  K表示在某一温度下IMC的生长常数。

 

  T表示绝对温度。

 

  R表示气体常数,即8.32 J/mole。

 

  Q表示IMC生长的活化能。

 

  K=IMC对时间的生长常数,

 

  以nm / √秒或μm / √日(

 

  1μm / √日=3.4nm / √秒。

 
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