失效分析技术|沉金IMC生长机理及其针状IMC导致焊点失效的原因分析

来源:收集 点击数:59 更新时间:2018/10/6 10:14:09

失效分析技术|沉金IMC生长机理及其针状IMC导致焊点失效的原因分析

摘要:

在印制电路板的贴装过程中,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,而且焊点断裂的本质原因是富磷层厚度。通过本文的研究,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。

关键词:焊点可靠性,推拉力测试,形貌,焊点失效,沉金


01/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 CompoundIMC)。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[1-3],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[4-6],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。


02/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。

2.1实验材料

焊料类型:无铅焊料:Sn-Ag3.5-Cu0.5

2.2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。

2.3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

2.4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。

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0h21h38h115h165h

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-B117BGA 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

03/结果与讨论

3.1 沉金板IMC生长机理以及焊点强度的探究

通过回流焊模拟SMT贴装过程,观察IMC在贴装过程中其形貌以及组成等特点随回流焊次数的变化情况。

150℃烘烤过程代表后期使用过程中的老化,设置不同的烘烤时间代表不同的使用时长,观察不同使用时长情况下焊点IMC组成、形貌以及厚度等特性。

1)回流焊次数对IMC特性的影响

   通过图二可以发现,在回流焊一次时,NiCu原子个数之和与Sn原子个数比接近于6:5,即回流焊一次后,IMC组成主要成分是(Cu,Ni)6Sn5,但是回流焊2次之后此比值接近于3:4IMC组成主要成分是(Ni,Cu)3Sn,而且,回流焊一次后,在焊料与基底的结合处,IMC厚度比较薄,在回流焊二次时,IMC进一步生长,随着回流焊次数的增加,IMC厚度增加且形貌发生变化,在回流焊一次时,IMC形貌主要是颗粒状,但是回流焊二次后,在IMC与基底结合处出现层状结构。

   沉金板IMC生长机理:在试验中,焊料组分中Cu含量为0.5wt%,通过图三相图发现,Ni焊盘界面上主要形成Ni3Sn4Cu6Sn5两种金属间化合物。但是,根据图二可知,最初形成Cu6Sn5金属间化合物,由于Ni原子参与反应,Cu6Sn5中的部分Cu原子被Ni原子取代,Cu6Sn5转化成(Cu,Ni)6Sn5;另一方面,随着(Cu,Ni)6Sn5的形成,在界面上开始形成Ni3Sn4,部分Cu原子扩散进入Ni3Sn4中取代了Ni的位置,Ni3Sn4转变成(Ni,Cu)3Sn4。通常情况下三元金属间化合物比二元金属间化合物具有更低的自由能,基于三元(Ni,Cu)3Sn4与二元 Ni3Sn4相比具有更低的自由能,因此这一转化速度特别快 [7-8]

通过图四发现,在试验条件范围内,IMC总厚度以及形貌几乎没有改变,IMC主要形貌为层状与颗粒状共存,通过元素分析发现,元素组成没有多大变化,元素组成主要成分为(Ni,Cu)3Sn4IMC结构比较稳定,富磷层几乎不可见。为了进一步验证试验范围内,IMC特性没有改变,接下来通过剪切力测试验证该结论。

如表二所示,在试验范围内,焊点强度几乎没有改变,焊点强度都在1500g以上。而且通过剪切力测试发现,在烘烤时间为0h以及165h时,高速剪切断裂面形貌是相同的,如图五所示,白色局域为焊料部分,内部灰暗部分为IMC层,通过元素分析发现,断裂面发生在焊料与IMC结合处,IMC在生长状态,在165h烘烤时间内,沉金板IMC结构、形貌以及焊点强度几乎没有改变。

总结:综上所述,150℃老化过程中,IMC生长缓慢,而回流焊次数对沉金板IMC生长影响显著,说明焊料液化状态下IMC生长较快,这与唐兴勇等人的研究相符[9]

3.2 针状IMC导致焊点失效的原因分析

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,同时在实际使用过程中,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。

1)不同焊接温度对IMC生长的影响

如图一示,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,试验条件如表三所示: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。

由图六可知,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,如图七所示,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-74.96PNi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。

2)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,烘箱升温过程与表二条件相同,切片形貌如图八所示,形貌仍然为针状,但是与图六形状存在差异,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,如表六所示,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。

3)针状IMC产生的原因

       通过图六可以发现,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,如图九所示,通过对沉金以及水金IMC进行元素分析发现,IMC组成元素为NiCuAgSn四种元素,而正常IMC组成元素是NiCuSn三种元素,如图二所示。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,而且陈信文陈教授[10]已经通过理论计算提出NiCuSnAg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SnCuAg三种元素,有铅焊料成分为PbSn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,如图十所示,IMC形貌正常。另外,在试验中,还研究了Cu-Sn基底的影响,如图十一所示,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AgNi元素的参与。

如表七所示,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。

    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-PNi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,根据图六可知,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,如图十二所示。从图中可以发现,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,如图十三所示。

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。


04/结论

SMT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% wtIMC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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