何靜

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由于SnAgCu無鉛焊料中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的生長速度遠(yuǎn)高于SnPb系焊料焊點(diǎn)中的情況。 本文以SnAgCu系無鉛焊料與Cu基板間的交互作用為例，介紹IMC的形成、形貌與性質(zhì)。 

1. IMC的定義

金屬間化合物簡稱為IMC，是指金屬與金屬、金屬與類金屬之間以金屬鍵或共價(jià)鍵結(jié)合形成的有序晶體結(jié)構(gòu)化合物。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)散等動作，在兩者之間形成一層類似“錫合金”的化合物。

2. IMC的特點(diǎn)

（1）其生長速度與溫度成正比，常溫中較慢。

（2）在室溫下脆性大，延展性差，很容易斷裂。

（3）低密度。

（4）高熔點(diǎn)。

3. IMC對焊接的影響

微小厚度的IMC都會形成焊料與基板之間穩(wěn)固的連接，較厚的IMC在熱循環(huán)的作用下會引起界面處的應(yīng)力集中，導(dǎo)致脆性斷裂，甚至帶來整個(gè)焊錫體的松弛。IMC對焊接性能的影響是很復(fù)雜的，IMC越厚，焊點(diǎn)在熱疲勞測試中越容易失效，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。

一旦焊盤原有的熔錫層或噴錫層，其與底銅之間已出現(xiàn)較厚間距過小的IMC后，對該焊墊再續(xù)作焊接時(shí)會有很大的妨礙，也就是在焊錫性或沾錫性上都將會出現(xiàn)劣化的情形。

4. IMC的形成和生長規(guī)律

SnAgCu界面IMC的形成分二個(gè)階段，第一階段是焊接過程中Cu基板與液態(tài)焊料之間形成的IMC，第二階段是焊后服役過程中Cu基板與固態(tài)焊料之間形成的IMC。一般認(rèn)為，焊接過程中IMC的形成是界面化學(xué)反應(yīng)為主導(dǎo)的機(jī)制，服役過程中IMC的演變是元素?cái)U(kuò)散為主導(dǎo)的機(jī)制。這兩個(gè)階段的IMC的形貌和生長動力學(xué)有十分明顯的差別。

焊點(diǎn)形成后，SnAgCu-Cu界面存在Cu6Sn5和Cu3Sn兩種金屬間化合物。Cu6Sn5位于焊料一側(cè)，較厚，呈扇貝形向液態(tài)的焊料中生長，導(dǎo)致IMC和焊料邊界的粗糙形貌，在焊接過程中形成；Cu3Sn位于Cu基板和Cu6Sn5之間，較薄 ，在服役過程中形成。

焊接過程中，Cu基板與液態(tài)焊料發(fā)生冶金接觸后，固態(tài)Cu向液態(tài)焊料中溶解，緊鄰Cu基板的液態(tài)焊料中便形成了一層飽和的Cu，Cu的溶解達(dá)到局部平衡狀態(tài)時(shí)，IMC便在此形成。Cu6Sn5的形成，消耗了飽和態(tài)的液態(tài)焊料中的Cu，隨著Cu6Sn5的結(jié)晶和相互連接，在Cu基板和焊料的界面上形成了一層連續(xù)的IMC，這層連續(xù)分布的IMC阻斷了Cu 基板向液態(tài)焊料進(jìn)一步溶解的通路。Sn和Cu6Sn5處于平衡狀態(tài)，固態(tài)Cu與Cu6Sn5層的界面為非平衡狀態(tài)。一旦溫度足以激活Cu原子與Sn原子反應(yīng)，在Cu基板與Cu6Sn5層的界面上便會依賴固相擴(kuò)散形成更穩(wěn)定的Cu3Sn。

除了上述兩種IMC，此外還有空洞產(chǎn)生。Cu和Sn的擴(kuò)散是非平衡擴(kuò)散，從原子水平來看，因Cu基板向焊料中擴(kuò)散而遺留在Cu基板表面上的原子空位并未由焊料中擴(kuò)散來的Sn原子及時(shí)占據(jù)，便會在Cu3Sn界面上形成部分永久空位，這些空位的聚集便形成了空洞。空洞的形成和長大會引起Cu-Cu3Sn界面脫層。

焊接過程中Cu基板與液態(tài)焊料之間形成的IMC主要由界面化學(xué)反應(yīng)決定，目前沒有可以描述此過程中的IMC生長規(guī)律的理論和方法。焊后服役過程中Cu基板與固態(tài)焊料之間形成的IMC主要由元素?cái)U(kuò)散為主導(dǎo)，F(xiàn)ick擴(kuò)散定律被應(yīng)用于描述這一階段IMC的生長規(guī)律，IMC的厚度為L²=Dt，D為擴(kuò)散系數(shù)，t為擴(kuò)散時(shí)間。

5. 如何適當(dāng)控制IMC

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)，在回流焊過程中，P不會溶入焊料，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IMC的厚度有一定影響，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IMC生成幾率，從而降低了IMC厚度。

6. 總結(jié)

SnAgCu系焊料合金與Cu基板間在焊接中，形成的較薄的IMC層保證了焊料和基板的冶金結(jié)合，但服役過程中IMC的過度生長會導(dǎo)致界面的弱化機(jī)械強(qiáng)度甚至開裂。

目前，對SnAgCu-Cu界面IMC生長的機(jī)理雖然從擴(kuò)散理論上有一定的認(rèn)識，但對IMC生長形貌及其對破壞行為的影響還缺乏定量表征的合適參量，對SnAgCu-Cu界面IMC生長動力學(xué)的研究才剛剛開始。