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，本文中众焱电子小编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。

一、实验设计背景

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 Compound即IMC）。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，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，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。

二、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。

1、实验材料

焊料类型：无铅焊料：Sn-Ag3.5-Cu0.5

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。

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。

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。

表一

预热温升@[50~150]

浸温时间@[150~200]

峰值温度

1~3单位

60~120

[235~250]

217℃以上的时间

冷却速率1@[200]

下降平均斜率

60~90

-4~-1

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0h，21h，38h，115h，165h。

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-B117（BGA 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。

具体的实验结果与讨论可查看《针状IMC导致smt焊点失效的原因分析及结果讨论》一文。

四、结论

在smt贴片打样或加工过程中，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%wt，IMC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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