背景
近年來(lái)，隨著電子工業(yè)無(wú)鉛化的要求，研究以Sn為基體的無(wú)鉛釬料與基板的界面反應(yīng)日益增多，其中SnAgCu無(wú)鉛焊料被國(guó)際上公認(rèn)為最有可能替代SnPb焊料的合金系統(tǒng)。
在電子產(chǎn)品中，常常以銅為基板材料，焊接和服役過(guò)程中焊料與銅基板之間界面上反應(yīng)是引起廣泛關(guān)注的研究課題。由于SnAgCu無(wú)鉛焊料中Sn的含量較高，焊接溫度也比較高，導(dǎo)致了焊點(diǎn)中Cu的溶解速度和界面金屬間化合物(intermetallic compound，IMC)的生長(zhǎng)速度遠(yuǎn)高于SnPb系焊料焊點(diǎn)中的情況。相關(guān)研究表明，焊點(diǎn)與金屬接點(diǎn)間的金屬間化合物的形態(tài)和長(zhǎng)大對(duì)焊點(diǎn)缺陷的萌生及發(fā)展、電子組裝件的可靠性等有十分重要的影響。如何避免IMC的過(guò)多生長(zhǎng)已成為研究者普遍關(guān)注的問(wèn)題，而對(duì)IMC形貌及其生長(zhǎng)規(guī)律的理解和表征是控制IMC生長(zhǎng)的前提。
本文以Sn-Ag-Cu系無(wú)鉛焊料與Cu基板間的交互作用為例，介紹IMC的形成、形貌與性質(zhì)。?
本文中僅討論含錫的IMC，將不深入涉及其他的IMC

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定義

指焊錫與被焊底金屬之間，在熱量足夠的條件下，錫原子和被焊金屬原子(如銅、鎳)相互結(jié)合、滲入、遷移及擴(kuò)散等動(dòng)作，會(huì)很快在兩者之間形成一層類(lèi)似“錫合金”的化合物，稱為金屬間化合物 (intermetallic compound，IMC) 。
IMC以錫銅之間形成良性Cu6Sn5和惡性Cu3Sn最常見(jiàn)；必須先生成良性的IMC才會(huì)有良好的焊接，但老化后與銅底之間會(huì)生成惡性IMC。

常見(jiàn)的IMC

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1．IMC形貌
下圖為一組IMC觀察的典型圖片。

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2.IMC的性質(zhì)
由于IMC曾是一種可以寫(xiě)出分子式的”準(zhǔn)化合物”，故其性質(zhì)與原來(lái)的金屬已大不相同，對(duì)整體焊點(diǎn)強(qiáng)度也有不同程度的影響，首先將其特性簡(jiǎn)述于下：
IMC在PCB高溫焊接或錫鉛重熔(即熔錫板或噴錫)時(shí)才會(huì)發(fā)生，有一定的組成及晶體結(jié)構(gòu)，且其生長(zhǎng)速度與溫度成正比，常溫中較慢。一直到出現(xiàn)全鉛的阻絕層(Barrier)才會(huì)停止。
IMC本身具有不良的脆性，將會(huì)損及焊點(diǎn)之機(jī)械強(qiáng)度及壽命，其中尤其對(duì)抗勞強(qiáng)度(Fatigue Strength)危害最烈，且其熔點(diǎn)也較金屬要高。
由于焊錫在介面附近的錫原子會(huì)逐漸移走，而與被焊金屬組成IMC，使得該處的錫量減少，相對(duì)的使得鉛量之比例增加，以致使焊點(diǎn)展性增大及固著強(qiáng)度降低，甚至帶來(lái)整個(gè)焊錫體的松弛。
一旦焊墊原有的熔錫層或噴錫層，其與底銅之間已出現(xiàn)”較厚”間距過(guò)小的IMC后，對(duì)該焊墊以后再續(xù)作焊接時(shí)會(huì)有很大的妨礙；也就是在焊錫性(Solderability)或沾錫性(Wettability)上都將會(huì)出現(xiàn)劣化的情形。
焊點(diǎn)中由于錫銅結(jié)晶或錫銀結(jié)晶的滲入，使得該焊錫本身的硬度也隨之增加，久之會(huì)有脆化的麻煩。

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3. IMC對(duì)焊接性能的影響
IMC對(duì)焊接性能的影響是很復(fù)雜的，IMC越厚，焊點(diǎn)在熱疲勞測(cè)試中越容易失效，其失效模式主要是斷裂，裂紋通常發(fā)生在焊點(diǎn)內(nèi)部IMC與焊料形成的界面處，在焊料內(nèi)部接近IMC邊界處，IMC層內(nèi)部，所形成的金屬間化合物的作用主要是形成焊料與基板之間的連接。IMC是脆性的，而焊料是軟的，微小厚度的IMC都會(huì)形成穩(wěn)固的連接，較厚的金屬間化合物在熱循環(huán)的作用下會(huì)引起界面處的應(yīng)力集中，導(dǎo)致脆性斷裂。

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4. 如何適當(dāng)控制IMC
焊料與焊盤(pán)發(fā)生反應(yīng)在界面處形成一定厚度的金屬間化合物，表明界面實(shí)現(xiàn)了較好的潤(rùn)濕和連接，但是金屬間化合物在低溫下較脆，裂紋容易在界面處萌生和擴(kuò)展，因此該界面層是金屬體系失效的潛在因素。 因此，如何適當(dāng)?shù)目刂艻MC成為急需解決的首要問(wèn)題。
Au/Ni/Cu三層結(jié)構(gòu)是一種廣泛應(yīng)用在電子封裝器件中采用的焊盤(pán)結(jié)構(gòu)。 Au層作為Ni表面的保護(hù)膜，具有良好的導(dǎo)電性能、潤(rùn)濕性能和防腐蝕性能等。Ni層由于在釬料中溶解速率很慢，可作為Cu層的阻隔層以防止Cu6Sn5，Cu3Sn等IMC的過(guò)量形成。
另外，在化學(xué)鍍Ni工藝中，鍍層中含有一定量的P元素。研究發(fā)現(xiàn)， 在回流焊過(guò)程中，P不會(huì)溶入焊料，并且在Ni層與IMC層形成由Ni，P 和Sn富集的高應(yīng)力層。P的含量對(duì)IMC的厚度有一定影響。但鍍層中 P含量較高時(shí)，形成在Ni層和IMC之間的富P層有效的阻止了Ni參入反應(yīng)，減少I(mǎi)MC生成幾率，從而降低了IMC厚度。

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5. 結(jié)論
電子封裝的無(wú)鉛化是新一代微電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)SnAgCu合金是公認(rèn)的最有可能替代SnPb焊料的無(wú)鉛焊料。已有的研究表明，SnAgCu焊料合金與Cu基板間在焊接和使用過(guò)程中生成并生長(zhǎng)的金屬間化合物對(duì)界面的強(qiáng)度和破壞行為有重要的影響。焊接過(guò)程中界面IMC的形成保證了焊料和基板的冶金結(jié)合，而使用過(guò)程中IMC的過(guò)度生長(zhǎng)導(dǎo)致了界面的弱化機(jī)械強(qiáng)度甚至開(kāi)裂。
目前，對(duì)SnAgCu-Cu界面IMC生長(zhǎng)的機(jī)理雖然從擴(kuò)散理論上有一定的認(rèn)識(shí)，但對(duì)IMC生長(zhǎng)形貌及其對(duì)破壞行為的影響還缺乏定量表征的合適參量，對(duì)SnAgCu-Cu界面IMC生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的研究才剛剛開(kāi)始。對(duì)上述問(wèn)題的深入研究一方面有利于在理論上揭示IMC的形成與長(zhǎng)大機(jī)理，確定表征IMC生長(zhǎng)的合適參量，另一方面對(duì)預(yù)測(cè)SnAgCu無(wú)鉛焊料焊接器件的可靠性有重要意義。金屬間化合物（IMC）廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，尤其是新材料領(lǐng)域，具有極誘人的應(yīng)用前景。

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5. 參考標(biāo)準(zhǔn)
JYT 010-1996 分析型掃描電子顯微鏡方法通則
GB/T 16594-2008 微米級(jí)長(zhǎng)度的掃描電鏡測(cè)量方法通則

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本文來(lái)源：http://www.mttlab.com/2015/0817/179.html

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