IMC生长对焊盘润湿性能的影响

2011-07-30陈黎阳乔书晓尤志敏李雄辉

印制电路信息 2011年1期

陈黎阳乔书晓尤志敏李雄辉

深圳市兴森快捷电路科技股份有限公司

1 前言

电子组装技术中，焊接起着连接和支撑电子元件和电路板的作用，焊接可靠性直接关系着产品的功能实现及性能稳定。在无铅化过渡转换的大背景下，焊接可靠性的问题倍受关注，在焊接过程中，焊料与PCB基板上的焊盘会形成各种各样的金属间化合物（IMC），IMC的形成是焊接必不可少的一个过程，没有IMC就无法形成有效的焊接。IMC的形成受焊料合金成分的影响，也受PCB基板所采用表面处理的影响，不同表面处理在焊接过程中形成的IMC也会有所差别。

无铅热风整平作为适应无铅化的一种选择，近些年得到发展。热风整平是在焊盘上覆盖一层焊锡，实际上在热风整平完成后，焊料与PCB焊盘铜基之间已然形成IMC（附图6），这种IMC结构的形成，对于后续的SMT回流贴装非常有利，为后续组装焊接提供了前提保障，有利于获得良好的冶金效果。这也是为什么有铅热风整平在之前一直是最受欢迎的一种表面处理，包括现在仍有许多客户坚持采用有铅热风整平。但是PCB焊盘上IMC的过度生长也会带来负面效果，会导致基板可焊接性能下降。本文作者对此问题做了验证实验，并就无铅热风整平的IMC生长与控制进行了探讨，以期为实践中解决此表面处理的可焊性问题提供一些思路和参考。

2 实验及分析

2.1 实验Ⅰ：不同基板上润湿性能的评估

2.1.1 实验方法

采用铺展率的实验法测试同种锡膏在不同基板上的铺展率，对比润湿性能。

铺展率P＝(S2-S1)/S1×100%

S1：回流前所印的锡膏面积（即钢网开窗面积），S2：回流后锡膏的扩展面积。

焊膏为SAC305，使用同一钢网印刷锡膏，回流后拍照利用图形软件计算面积进行对比。

2.1.2 试板获得

本次实验对比四种基板，取5 mm×5 mm焊盘：

A：铜面——PCB在阻焊完成后的裸铜焊盘，经过NPS微蚀后包装存储；

B：锡面——无铅热风整平完成后的焊盘；

C：合金面——无铅热风整平完成后焊盘经过化学药水蚀刻，将焊盘表层锡层清除，得到完全合金暴露的焊盘；

D：合金氧化面——将合金暴露的焊盘置于150 ℃×2 h进行高温氧化后获得。

2.1.3 实验结果

回流后铺展的效果图（图1）。

图1 铺展后效果图

图2 铺展率柱形图

实验铺展率：正常锡面＞合金＞铜面＞合金氧化；

2.1.4 实验分析

从实验可知：正常的合金界面其润湿性能良好，其铺展性能甚至优于铜面；但合金界面在被氧化后，其铺展性能变的非常差，铺展率很小，几乎不被润湿。

根据这一实验结果，对单板上被锡面覆盖的焊盘，如合金过度生长，到达表面且被氧化后，焊盘的润湿性能会严重下降。且有研究表明，IMC过厚导致焊点变脆，抗疲劳能力下降；而单板焊盘作为元器件焊接的载体，从润湿性能角度出发，IMC生长及控制显得尤为重要，下面对此问题做探讨。

2.2 实验Ⅱ 热时效与IMC生长

2.2.1 实验方法

因IMC界面形成的高度起伏较大（图3），单点的测量方法难以准确衡量其实际生长情况。为准确衡量其厚度分布，本次实验以测试单位长度上IMC的平均厚度作为实验数据。

试样取垂直切片,切片经过药水蚀刻后得到IMC的垂直界面；用SEM/EDX以确定界面成分并采用图形软件测量IMC的面积，面积除以截图的长度得到平均厚度。

图3 IMC不规则分布图

2.2.2 试板获得

完成无铅热风整平后的样板，在烤箱中进行不同条件的烘烤，以观察IMC随热时效应的变化情况。

2.3 实验结果

图4 IMC热效应生长趋势图

2.4 实验分析

可以看出，IMC随着热时效的延长，不断的增长。根据实验结果，为防止IMC过度生长，无铅热风整平完成后，即涂覆上锡层后的单板应尽量减少热效应的作用。同时表面锡厚应当进行适当的控制，以延缓IMC生长完全吞食表面锡层的过程，避免IMC裸露出表面而导致IMC被氧化的现象。

3 实验Ⅲ IMC重熔的影响

3.1 实验方法：IMC厚度测试参照实验Ⅱ方法

3.2 试板获得

完成无铅热风整平后的样板,同等条件下进行不同次数的返工（即返无铅喷锡），考察重熔时IMC的变化情况。

3.3 实验结果

图5 IMC随返工生长趋势图

3.4 实验分析

实验结果看出IMC随返工次数的增加而增长。结合Sn-Cu二元合金相图，IMC主要成分为Cu6Sn5（如图6示），其熔点达到415 ℃，而无铅热风整平的锡炉温度在260 ℃ ～ 290 ℃之间，所以实际上IMC在常规的操作温度下是无法熔解的，此时主要以扩散方式进行。

单板在进行返工时，其焊盘已经存在IMC，根据扩散理论，此时IMC界面存在两种反应，一种是生长反应，一种是分解反应。生长反应是指IMC两边Cu基与Sn基之间相互扩散形成新的IMC沉积。当熔融焊料液体中，Cu含量未达到饱和度时，则IMC同时存在分解反应。只要生长反应的速度大于分解反应，那么IMC就会不断的增厚。而但当IMC越厚时，Sn及Cu原子穿越IMC的扩展速度会减缓，又会降低IMC的沉积速率，这也体现在第3次返工后IMC生长速率趋于缓慢。