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一、IMC對焊點(diǎn)強(qiáng)度的影響

焊接是依靠在接合界面上生成IMC而實(shí)現(xiàn)連接強(qiáng)度要求的。焊接界面的穩(wěn)定性依賴于IMC的厚度，由此也可預(yù)測IMC對構(gòu)成焊點(diǎn)釬料的體積的影響。隨著安裝越來越朝著微細(xì)化方向發(fā)展，IMC的相對體積也將增加。如圖1所示，隨著焊接部的微小型化，為了確保可靠性，必須充分考慮焊接界面所可能出現(xiàn)的各種各樣的形態(tài)，選擇最優(yōu)化的合金設(shè)計(jì)，這對焊接接頭的機(jī)械、化學(xué)、電氣等性能有著關(guān)鍵性的意義。

圖1

界面層的形態(tài)對焊接接續(xù)部分的結(jié)構(gòu)可靠性有很大的影響。特別是厚度，要特別注意避免過厚的IMC層，易導(dǎo)致諸如組織結(jié)構(gòu)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(dāng)兩種被連接的母材金屬均為Cu時，要達(dá)到持久牢固的機(jī)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℃，時間為2～15s。這時釬料才有可能在焊盤和元器件引腳之間形成一種新的化學(xué)物質(zhì)，而達(dá)到持久地將二者牢固地連接起來的目的。Cu與Sn的化學(xué)親和力很強(qiáng)，因此，在焊接界面上Cu和Sn間的金屬間化合物生長得很快，在焊接過程中對固相Cu的擴(kuò)散過程的描述如圖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)過了一段儲存期后，由于擴(kuò)散作用在鍍層和母材表面之間的界面上都會不同程度地生成一層η-Cu6Sn5的IMC層，如圖2（a）所示。2.接觸當(dāng)兩種被連接的母材金屬接觸在一起時，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(wěn)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，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(yīng)時間內(nèi)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(cè)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(yàn)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(dāng)連接部受到外力作用時，界面的高強(qiáng)度應(yīng)力集中最易發(fā)生在凸凹的界面處，而不會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(xì)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(yàn)，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、基板上的圖形，以及部件的材質(zhì)和形狀等所引發(fā)的應(yīng)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(shù)場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(xiàn)為樹枝晶，樹枝間有大量空隙。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似胞狀晶粒的，但I(xiàn)MC層是致密的。與焊料接觸的界面類似于扇貝狀，如圖6所示。

圖6

●平直界面的致密層：當(dāng)Pb含量、溫度和反應(yīng)時間增加時，η層的形貌逐漸從粗糙的胞狀層向扇貝狀的致密層轉(zhuǎn)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(xiàn)小瘤狀的Cu6Sn5形貌。再流時間對IMC形貌也有影響，時間短產(chǎn)生平直的η相形貌，時間長則更多產(chǎn)生小瘤狀的或扇貝狀的η相。而ε層與再流時間無關(guān)，它總是平直地生長。因此，當(dāng)將兩種接觸的母材金屬加熱使Sn熔融時，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(yīng)而使兩母材金屬連接起來。此時在兩母材表面之間的接縫中將同時存在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，而原來中間的純Sn層為生成的η-Cu6Sn5相所取代，此時的界面構(gòu)造如圖2（c）所示。4.加速生長在等溫凝固的最初階段，Cu6Sn5和Cu3Sn相的生長，是以Cu6Sn5的生長為主。當(dāng)所有可反應(yīng)的Sn都消耗完后，Cu3Sn相的生長通過消耗掉Cu和Cu6Sn5進(jìn)行反應(yīng)，最后，接合層就僅由Cu3Sn構(gòu)成了。按連接的可靠性來說，圖2（c）所示的狀態(tài)是比較理想的。若此時對接合部繼續(xù)加熱，ε-Cu3Sn快速發(fā)育，其結(jié)果是整個接縫均被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，如果溫度過高，生成的金屬間化合物太厚，焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度就會降低。