無鉛焊料金屬間化合物形成機理和影響

2022-07-08

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無鉛焊料金屬間化合物形成機理和影響

1. 焊接界麵金屬間化合物介紹

目前主流和無鉛焊料有錫銀銅和錫鉍類型。在使用無鉛焊料與(yu) 銅/鎳焊盤進行焊接時，由於(yu) 擴散機製的作用，在焊料和焊盤的界麵處出現原子的擴散，並形成金屬間化合物(IMC)。例如SAC305焊料和焊盤界麵會(hui) 形成IMC如(Cu,Ni)₆Sn₅等。IMC的生成可以分為(wei) 四個(ge) 階段，包括溶解，擴散，凝固和反應過程。在回流過程中焊料的原子擴散到基板表麵並通過界麵反應形成IMC。在降溫後IMC在焊料中積累。擴散過程可以用Fick第一定律表示。

m: 擴散量

D: 擴散係數

S: 接觸麵積

dc/dx: 擴散元素濃度梯度

dt: 擴散時間

2. SAC305微凸點IMC生長機製

當SAC305焊料與(yu) 鎳焊盤形成微凸點後，在焊盤與(yu) 焊料中間出現了IMC層。由橫截麵背散射圖（BSE）可見 (圖1)，鎳焊盤一側(ce) 的黑色薄層的IMC為(wei) Ni₃P，針狀IMC為(wei) (Ni,Cu)₃Sn4,體(ti) 型稍小的白色狀顆粒IMC為(wei) Ag₃Sn。界麵處最開始時生成IMC為(wei) (Cu,Ni)6Sn5，但是隨著Cu含量消耗(Cu,Ni)₆Sn₅開始溶解。Cu原子析出進入到Ni₃Sn₄並取代了Ni的位置形成（Ni,Cu)₃Sn₄。

焊料中的Cu含量是影響Ni/SnAgCu界麵IMC的主要因素 (Tian et al., 2013)。當Cu的含量在0.4-0.6%，界麵形成(Cu,Ni)₆Sn₅ 和（Ni,Cu)₃Sn₄。而小於(yu) 該範圍則生成（Ni,Cu)₃Sn₄ 。大於(yu) 該範圍則是(Cu,Ni)₆Sn₅。此外實驗發現Ni原子能夠降低Cu原子在錫焊料中的溶解度並影響(Cu,Ni)₆Sn₅的生長(Tian et.al., 2013)。

原子間的擴散是持續進行的。研究發現在IMC層隨溫度和時間增加而變厚。由下表可知，更高的峰值溫度和更長加熱時間使IMC的厚度增大。

表1: IMC厚度和溫度時間的關(guan) 係。

3. 金屬間化合物的影響

較薄且均勻分布的IMC可以對焊點起到增強作用。但是IMC本身是脆性，在熱老化作用下會(hui) 出現大片塊狀的IMC，導致焊點內(nei) 部應力增加並加大焊點脆性，在受到外力作用下會(hui) 使焊點出現裂紋並導致失效。SAC305 微凸點與(yu) 銅焊盤完成焊接後，長時間的熱老化會(hui) 在Cu焊盤一側(ce) 催生Cu₃Sn並削弱焊點強度。

4. 參考文獻

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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