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一,、IMC對(duì)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(cè)IMC對(duì)構(gòu)成焊點(diǎn)釬料的體積的影響。隨著安裝越來(lái)越朝著微細(xì)化方向發(fā)展,，IMC的相對(duì)體積也將增加,。如圖1所示，隨著焊接部的微小型化,，為了確?？煽啃裕仨毘浞挚紤]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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(shí),，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(shí)間為2～15s,。這時(shí)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(lái)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(zhǎng)得很快,，在焊接過(guò)程中對(duì)固相Cu的擴(kuò)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(chǔ)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(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(dāng)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(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(lái),，而普通掃描電鏡（SEM）不能識(shí)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(shí)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(shí),，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(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(xì)的斷裂發(fā)生在呈半島狀凸出的Cu6Sn5的根部。因此,，對(duì)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(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(xiàn)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(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(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(shí)間對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng),。因此，當(dāng)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(yīng)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(gòu)造如圖2（c）所示,。4.加速生長(zhǎng)在等溫凝固的最初階段,，Cu6Sn5和Cu3Sn相的生長(zhǎng)，是以Cu6Sn5的生長(zhǎng)為主,。當(dāng)所有可反應(yīng)的Sn都消耗完后,，Cu3Sn相的生長(zhǎng)通過(guò)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(lái)說(shuō)，圖2（c）所示的狀態(tài)是比較理想的,。若此時(shí)對(duì)接合部繼續(xù)加熱,，ε-Cu3Sn快速發(fā)育，其結(jié)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(jī)械強(qiáng)度就會(huì)降低,。