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無(wú)鉛焊接的IMC與錫須(三)錫銅IMC

2020-05-19 12:01:49 1145

無(wú)錫焊料或無(wú)鉛球腳,皆為高錫量的合金,其本身原本就會(huì )長(cháng)須,幸好還不致長(cháng)成了長(cháng)須而讓危險性大為降低(5 0μm以下)。零件腳表面所鍍的可焊純錫層,由于光澤劑有機物之共存于鍍錫層中,在已呈現壓縮性?xún)葢Φ谋舜藘A軋排擠下,會(huì )不斷的長(cháng)出長(cháng)須(250μm),那才是讓人不寒而慄的后患。其中光亮錫又比霧面錫更易長(cháng)須,且一旦銅腳或銅面直接電鍍純錫時(shí),則在后續的老化過(guò)程中,其介面當然也會(huì )逐漸長(cháng)出Cu6Sn5的IMC來(lái)。

各種高錫量的LF焊料,在各種加速老化中如癩痢頭般的短須

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圖1、各種高錫量的LF焊料,在各種加速老化中如癩痢頭般的短須  (5 0μm以下者),目前均可允收。
銅錫之間所生長(cháng)的eta-IMC

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圖2、當引腳銅底材或其他金屬底材,鍍了底銅又再鍍了面錫后,其銅錫之間所生長(cháng)的eta-IMC,會(huì )逐漸攻入純錫結晶的疆界中,在展現壓縮應力下,將助紂爲惡而不斷擠出錫鬚來(lái)。
電路板鍍純錫前若能先打底鍍鎳時(shí),將可減低其長(cháng)須的風(fēng)險

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圖3、通常QFP密集Lead  Frame接腳之間,一旦長(cháng)出較長(cháng)的錫須后,即將出現可怕的短路危機。此時(shí)底材(A11oy42)鍍純錫前若能先打底鍍鎳時(shí),將可減低其長(cháng)須的風(fēng)險。
電路板焊接時(shí)發(fā)生收縮式的擠須動(dòng)作

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圖4、當QFP或J型等引腳底材A11oy42,為了焊接而必須在表面鍍純錫時(shí),由于底材與面錫兩者的熱脹系數(CTE)的落差頗大(Sn為23ppm,FeNi42為4.3ppm),于是在后續熱脹冷縮的環(huán)境申,就會(huì )發(fā)生收縮式的擠須動(dòng)作。
此等介面所長(cháng)出的六銅五錫IMC,會(huì )往電鍍純錫品格的疆界(B oun dary)處進(jìn)攻。此種品格交界面,每每是有機物等雜質(zhì)聚集之地,經(jīng)常處于較高能量的不安定狀態(tài),最容易被不斷長(cháng)厚的IMC所攻入。于是在IMC對品格的左右?jiàn)A擊壓縮下,等于又多了一股幫忙擠須的惡勢力!不過(guò)一旦在高溫中長(cháng)出了惡性的C u3S n后,對錫須而言,卻反而成為消除Cu6Sn5擠壓錫須的阻礙層,正是一失也必有一得!
為了消除電鍍錫層本身所夾帶的內應力,某些大公司即要求電鍍錫的元件,需進(jìn)行后續的高溫回火軔化處理(Annealing),以消除有機物所造成的壓縮性?xún)葢?,進(jìn)而減少錫須的發(fā)生。不過(guò)一善之后也常有一惡隨之,高溫軔化雖可減輕有機物所帶來(lái)的內應力,但也當然必定會(huì )引發(fā)IMC以及額外擠壓錫須的動(dòng)作,一得一失之間實(shí)在讓人難以取捨而迷惑不已!
電路板純錫層表面經(jīng)常會(huì )生成無(wú)色的薄薄氧化層或較厚而呈黃色的氧化錫外殼

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圖5、電路板純錫層表面經(jīng)常會(huì )生成無(wú)色的薄薄氧化層或較厚而呈黃色的氧化錫外殼,一旦錫鬚頂破局部較弱外殼而伸出時(shí)其側面外圍即會(huì )出現不規則破口所刮刻的條紋,此與擠牙膏的動(dòng)作如同一轍。
也有PCB廠(chǎng)家認為鍍錫之前應先鍍底鎳,以其減少錫銅IMC的助虐而盼能防堵錫須。經(jīng)過(guò)多種加速老化的証明,此種增加成本之舉所帶來(lái)的效益,老實(shí)說(shuō)也的確沒(méi)啥了得,只能延緩鍚須的冒出而無(wú)法徹底遏止成長(cháng)。
如刻意將氧化錫外殼小心剝除, 再將試樣放置于無(wú)氧環(huán)境中進(jìn)行加速老化試驗,其所擠出的錫鬚竟然與自然毛髮相同

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圖6、如刻意將氧化錫外殼小心剝除, 再將試樣放置于無(wú)氧環(huán)境中進(jìn)行加速老化試驗,其所擠出的錫鬚竟然與自然毛髮相同,而不再出現特殊的外圍條紋花樣了 。
焊點(diǎn)的介面I M C,正猶如大樹(shù)的老根或大樓的地基一樣,無(wú)此則無(wú)焊接之存在。焊點(diǎn)表面的縮錫(D e-Wetting)與否,正是內部介面有無(wú)I M C的呈現。未形成I M C的縮錫區,其本應附著(zhù)的焊錫量,會(huì )被附近已有I M C的沾錫區所搶奪拉走,因而造成外觀(guān)的高低不平。凡當墊面生銹(連助焊劑無(wú)法去去除者)、熱量不足、以及無(wú)鉛焊接時(shí)少量鉛與鉍的污染,都是無(wú)法順利生長(cháng)IMC與焊牢的根本原因。深切明瞭此道者,現場(chǎng)之解困正如同順籐摸瓜,方向正確時(shí)遲早一定會(huì )到達目的地。
否則一味杯弓蛇影疑神疑鬼,亂槍打鳥(niǎo)下即便偶有巧獲,也只是瞎貓碰到了死耗子。不斷開(kāi)會(huì )式的解困法,只能分攤痛辛苦逃避責任。故步自封一廂情愿下,真相難明病根不除,各種問(wèn)題勢必還會(huì )永遠輪流再現的。

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