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一、IMC對焊點(diǎn)強度的影響

焊接是依靠在接合界面上生成IMC而實(shí)現連接強度要求的。焊接界面的穩定性依賴(lài)于IMC的厚度，由此也可預測IMC對構成焊點(diǎn)釬料的體積的影響。隨著(zhù)安裝越來(lái)越朝著(zhù)微細化方向發(fā)展，IMC的相對體積也將增加。如圖1所示，隨著(zhù)焊接部的微小型化，為了確?？煽啃?，必須充分考慮焊接界面所可能出現的各種各樣的形態(tài)，選擇最優(yōu)化的合金設計，這對焊接接頭的機械、化學(xué)、電氣等性能有著(zhù)關(guān)鍵性的意義。

圖1

界面層的形態(tài)對焊接接續部分的結構可靠性有很大的影響。特別是厚度，要特別注意避免過(guò)厚的IMC層，易導致諸如組織結構變化、微小空洞、尺寸等不必要的缺陷。

二、IMC狀態(tài)對焊點(diǎn)可靠性的影響

以SnPb釬料為例，當兩種被連接的母材金屬均為Cu時(shí)，要達到持久牢固的機械連接目的，就必須將焊點(diǎn)的溫度加熱到釬料熔點(diǎn)以上約15℃，時(shí)間為2～15s。這時(shí)釬料才有可能在焊盤(pán)和元器件引腳之間形成一種新的化學(xué)物質(zhì)，而達到持久地將二者牢固地連接起來(lái)的目的。Cu與Sn的化學(xué)親和力很強，因此，在焊接界面上Cu和Sn間的金屬間化合物生長(cháng)得很快，在焊接過(guò)程中對固相Cu的擴散過(guò)程的描述如圖2所示。

圖2

1.焊接之前通常母材金屬（元器件引腳）在焊接之前都涂敷有可焊性涂層，如Sn涂層。它們經(jīng)過(guò)了一段儲存期后，由于擴散作用在鍍層和母材表面之間的界面上都會(huì )不同程度地生成一層η-Cu6Sn5的IMC層，如圖2（a）所示。2.接觸當兩種被連接的母材金屬接觸在一起時(shí)，它們間接觸界面中間是一層純Sn，如圖2（b）所示。3.加熱接合在Cu基板和共晶或近似共晶釬料SnPb、SnAg、SAC及純Sn的界面處的初始生成的IMC為η-Cu6Sn5。不大確定的是，在Cu基板和η相之間的界面處另一穩定的ε-Cu3Sn相能否生成，這種不確定性的原因是ε相非常薄，即使存在也需要透射電鏡（TEM）才可分辨出來(lái)，而普通掃描電鏡（SEM）不能識別焊點(diǎn)凝固后的ε相。而在較高溫度下ε相卻能在更早的反應時(shí)間內生成。Cu3Sn比較薄，且Cu和Cu3Sn的界面比較平坦，而Cu6Sn5比較厚，在釬料側形成許多像半島狀的突起。圖3照片中的界面組織雖然是在實(shí)驗的條件形成的，然而由再流焊接所形成的組織也是相同的。

當連接部受到外力作用時(shí)，界面的高強度應力集中最易發(fā)生在凸凹的界面處，而不會(huì )在平坦的界面上形成。由圖4可以清楚地看到，在主要斷裂處的后面，還有許多微細的斷裂發(fā)生在呈半島狀凸出的Cu6Sn5的根部。因此，對接合部的抗拉試驗，必然是Cu6Sn5被破壞。

圖4

在實(shí)際的基板上，由熱疲勞等而引發(fā)的龜裂，與由釬料圓角、引線(xiàn)、基板上的圖形，以及部件的材質(zhì)和形狀等所引發(fā)的應力集中的情況是不同的。因此，所有發(fā)生在界面上龜裂的原因，多數場(chǎng)合是由于在界面形成了不良的合金層所致。η-Cu6Sn5層有三種形貌，即：

●界面粗糙的胞狀層：在俯視圖中其形狀與圓柱狀晶粒相似，但橫截面表現為樹(shù)枝晶，樹(shù)枝間有大量空隙。故這種IMC層不致密，與焊料接觸界面粗糙，如圖5所示。

圖5

●扇貝狀界面的致密層：在俯視圖中這種形狀類(lèi)似胞狀晶粒的，但IMC層是致密的。與焊料接觸的界面類(lèi)似于扇貝狀，如圖6所示。

圖6

●平直界面的致密層：當Pb含量、溫度和反應時(shí)間增加時(shí)，η層的形貌逐漸從粗糙的胞狀層向扇貝狀的致密層轉變。ε層總是致密的且界面接近平直?？斓睦鋮s速率產(chǎn)生平直的Cu6Sn5層，慢的冷卻速率出現小瘤狀的Cu6Sn5形貌。再流時(shí)間對IMC形貌也有影響，時(shí)間短產(chǎn)生平直的η相形貌，時(shí)間長(cháng)則更多產(chǎn)生小瘤狀的或扇貝狀的η相。而ε層與再流時(shí)間無(wú)關(guān)，它總是平直地生長(cháng)。因此，當將兩種接觸的母材金屬加熱使Sn熔融時(shí)，由于溫度的作用，在兩母材金屬表面將發(fā)生明顯的冶金反應而使兩母材金屬連接起來(lái)。此時(shí)在兩母材表面之間的接縫中將同時(shí)存在ε-Cu3Sn和η-Cu6Sn5兩種金屬間化合物層。貼近Cu表面生成的是ε-Cu3Sn，而原來(lái)中間的純Sn層為生成的η-Cu6Sn5相所取代，此時(shí)的界面構造如圖2（c）所示。4.加速生長(cháng)在等溫凝固的最初階段，Cu6Sn5和Cu3Sn相的生長(cháng)，是以Cu6Sn5的生長(cháng)為主。當所有可反應的Sn都消耗完后，Cu3Sn相的生長(cháng)通過(guò)消耗掉Cu和Cu6Sn5進(jìn)行反應，最后，接合層就僅由Cu3Sn構成了。按連接的可靠性來(lái)說(shuō)，圖2（c）所示的狀態(tài)是比較理想的。若此時(shí)對接合部繼續加熱，ε-Cu3Sn快速發(fā)育，其結果是整個(gè)接縫均被ε-Cu3Sn填充。由于ε-Cu3Sn金屬間化合物是一種硬度更高而脆性更大的合金相，如果溫度過(guò)高，生成的金屬間化合物太厚，焊點(diǎn)的機械強度就會(huì )降低。