PCB中IMC的介绍
IMC是指介面合金共化物
IMC系Intermetallic compound 之缩写，笔者将之译为”介面合金共化物”，可以简称“介金属”。 IMC广义上说是指某些金属相互紧密接触之介面间，会产生一种原子迁移互动的行为，组成一层类似合金的”化合物”，并可写出分子式。在焊接领域的狭义上是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物。其中尤以铜锡间之良性Cu6Sn5(Eta Phase)及恶性Cu3Sn(Epsilon Phase)最为常见，对焊锡性及焊点可靠度(即焊点强度)两者影响最大，特整理多篇论文之精华以诠释之。 荧光探针
一、定义
能够被锡铅合金焊料(或称焊锡Solder)所焊接的金属，如铜、镍、金、银等，其焊锡与被焊底金属之间，在高温中会快速形成一薄层类似”锡合金”的化合物。此物起源于锡原子及被焊金属原子之相互结合、渗入、迁移、及扩散等动作，而在冷却固化之后立即出现一层薄薄的”
共化物”，且事后还会逐渐成长增厚。此类物质其老化程度受到锡原子与底金属原子互相渗入的多少，而又可分出好几道层次来。这种由焊锡与其被焊金属介面之间所形成的各种共合物，统称Intermetallic Compound 简称IMC，本文中仅讨论含锡的IMC，将不深入涉及其他的IMC。
二、一般性质
由于IMC曾是一种可以写出分子式的”准化合物”，故其性质与原来的金属已大不相同，对整体焊点强度也有不同程度的影响，首先将其特性简述于下：
◎ IMC在PCB高温焊接或锡铅重熔(即熔锡板或喷锡)时才会发生，有一定的组成及晶体结构，且其生长速度与温度成正比，常温中较慢。一直到出现全铅的阻绝层(Barrier)才会停止。CHILDRENUNDERTHEAGEOF10
◎ IMC本身具有不良的脆性，将会损及焊点之机械强度及寿命，其中尤其对抗劳强度(Fatigue Strength)危害最烈，且其熔点也较金属要高。
◎ 由于焊锡在介面附近得锡原子会逐渐移走，而与被焊金属组成IMC，使得该处的锡量减
少，相对的使得铅量之比例增加，以致使焊点展性增大(Ductillity)及固着强度降低，久之甚至带来整个焊锡体的松弛。
◎ 一旦焊垫商原有的熔锡层或喷锡层，其与底铜之间已出现”较厚”间距过小的IMC后，对该焊垫以后再续作焊接时会有很大的妨碍；也就是在焊锡性(Solderability)或沾锡性(Wettability)上都将会出现劣化的情形。
◎ 焊点中由于锡铜结晶或锡银结晶的渗入，使得该焊锡本身的硬度也随之增加，久之会有脆化的麻烦。
◎ IMC会随时老化而逐渐增厚，通常其已长成的厚度，与时间大约形成抛物线的关系，即：
δ=k √t，
k=k exp(－Q/RT)
δ表示t时间后IMC已成长的厚度。
K表示在某一温度下IMC的生长常数。
T表示绝对温度。
R表示气体常数，即8.32 J/mole。
Q表示IMC生长的活化能。
K=IMC对时间的生长常数，
以nm / √秒或μm / √日(
1μm / √日铸造设备与工艺=3.4nm / √秒。
现将四种常见含锡的IMC在不同温度下，其生长速度比较在下表的数字中：
表1 各种IMC在不同温度中之生长速度(nm / √s)
金属介面 20℃,100℃,135℃,150℃,170℃
1. 锡 / 金 40
2. 锡 / 银 0.08 17-35
3. 锡 / 镍 0.08 1 5
4. 锡 / 铜 0.26 1.4 3.8 10
[注] 在170℃高温中铜面上，各种含锡合金IMC层的生长速率，也有所不同；如热浸锡铅为5nm/s，雾状纯锡镀层为7.7(以下单位相同)，锡铅比30/70的皮膜为11.2，锡铅比70/30的皮膜为12.0，光泽镀纯锡为3.7，其中以最后之光泽镀锡情况较好。
若纯就可被焊接之底金属而言，影响其焊锡性(Solderability)好坏的机理作用甚多，其中要点之一就是”表面自由能”(Surface Free Energy，简称时可省掉Free)的大小。也就是说可焊与否将取决于：
(1) 被焊底金属表面之表面能(Surface Energy)，
(2) 焊锡焊料本身的”表面能”等二者而定。
凡底金属之表面能大于焊锡本身之表面能时，则其沾锡性会非常好，反之则沾锡性会变差。也就是说当底金属之表面能减掉焊锡表面能而得到负值时，将出现缩锡(Dewetting)，负值愈大则焊锡愈差，甚至造成不沾锡(Non-Wetting)的恶劣地步。
新鲜的铜面在真空中测到的”表面能”约为1265达因/公分，63/37的焊锡加热到共熔点(Eutectic Point 183℃)并在助焊剂的协助，其表面能只得380达因/公分，若将二者焊一起时，其沾锡性将非常良好。然而若将上述新鲜洁净的铜面刻意放在空气中经历2小时后，其表面能将会遽降到25达因/公分，与380相减不但是负值(-355)，而且相去甚远，焊锡自然不会好。因此必须要靠强力的助焊剂除去铜面的氧化物，使之再活化及表面能之再次提高，并超过焊锡本身的表面能时，焊锡性才会有良好的成绩。
四、锡铜介面合金共化物的生成与老化
当熔融态的焊锡落在洁铜面的瞬间，将会立即发生沾锡(Wetting俗称吃锡)的焊接动作。此时也立即会有锡原子扩散(Diffuse)到铜层中去，而铜原子也同时会扩散进入焊锡中，二者在交接口上形成良性且必须者Cu6Sn5的IMC，称为η-phase(读做Eta相)，此种新生”准化合物”中含锡之重量比约占60%。若以少量的铜面与多量焊锡遭遇时，只需3-5秒钟其IMC即可
成长到平衡状态的原度，如240℃的0.5μm到340℃的0.9μm。然而在此交会互熔的同时，底铜也会有一部份熔进液锡的主体锡池中，形成负面的污染。
(a) 最初状态：当焊锡着落在清洁的铜面上将立即有η-phase Cu6Sn5生成。
(b) 锡份渗耗期：焊锡层中的锡份会不断的流失而渗向IMC去组新的Cu6Sn5，而同时铜份也会逐渐渗向原有的η-phase层次中而去组成新的Cu3Sn。此时焊锡中之锡量将减少，使得铅量在比例上有所增加，若于其外表欲再行焊接时将会发生缩锡。
(c) 多铅之阻绝层：当焊锡层中的锡份不断渗走再去组成更厚的IMC时，逐渐使得本身的含铅比例增加，最后终于在全铅层的挡路下阻绝了锡份的渗移。
(d) IMC的曝露：由于锡份的流失，造成焊锡层的松散不堪而露出IMC底层，而终致到达不沾锡的下场(Non-wetting)。
高温作业后经长时老化的过程中，在Eta-phase良性IMC与铜底材之间，又会因铜量的不断渗入Cu6Sn5中，而逐渐使其局部组成改变为Cu3Sn的恶性ε-phase(又读做Epsilon相)。其中铜量将由早先η-phase的40%增加到ε-phase的66%。此种老化劣化之现象，随着时间
之延长及温度之上升而加剧，且温度的影响尤其强烈。由前述”表面能”的观点可看出，这种含铜量甚高的恶性ε-phase，其表面能的数字极低，只有良性η-phase的一半。因而Cu3Sn是一种对焊锡性颇有妨碍的IMC。
然而早先出现的良性η-phase Cu6Sn5， 却是良好焊锡性必须的条件。没有这种良性Eta相的存在，就根本不可能完成良好的沾锡，也无法正确的焊牢。换言之，必需要在铜面上首先生成Eta-phase地球脉动的IMC，其焊点才有强度。否则焊锡只是在附着的状态下暂时冷却固化在铜面上而已，这种焊点就如同大树没有根一样，毫无强度可言。锡铜合金的两种IMC在物理结构上也不相同。其中恶性的ε-phase(Cu3Sn)常呈现柱状结晶(Columnar Structure)，而良性的η-phase(Cu6Sn5)却是一种球状组织(Globular)。下图8此为一铜箔上的焊锡经长时间老化后，再将其弯折磨平抛光以及微蚀后，这在SEM2500倍下所摄得的微切片实像，两IMC的组织皆清晰可见，二者之硬度皆在500微硬度单位左右。
在IMC的增厚过程中，其结晶粒子(Grains)也会随时在变化。由于粒度的变化变形，使得在切片画面中量测厚度也变得比较困难。一般切片到达最后抛光完成后，可使用专门的微蚀液(NaOH 50/gl，加1，2-Nitrphenol 35ml/l，70℃下操作)，并在超声波协助下，使其能
咬出清晰的IMC层次，而看到各层结晶解里面的多种情况。现将锡铜合金的两种IMC性质比较如下：
两种锡铜合金IMC的比较
命名 分子式 含锡量W% 出现经过 位置所在 颜 结晶 性能 表面能η-phase(Eta) Cu6Sn5 60% 高温融锡沾焊到清洁铜面时立即生成 介于焊锡或纯锡与铜之间的介面
白 球状
组织
良性IMC
微焊接强度之必须甚高
ε-phase(Epsilon) Cu3Sn 30% 焊后经高温或长期老化而逐渐发生
介于Cu6Sn5与铜面之间
灰 柱状
结晶
恶性IMC
将造成缩锡或不沾锡 较低只有Eta的一半,非常有趣的是，单纯Cu6Sn5的良性IMC，虽然分子是完全相同，但当生长环境不同时外观却极大的差异。如将清洁铜面热浸于熔融态的纯锡中，此种锡量与热量均极度充足下，所生成的Eta良性IMC之表面呈鹅卵石状。但若改成锡铅合金中航工业航宇救生装备有限公司(63/37)之锡膏与热风再铜面上熔焊时，亦即锡量与热量不太充足之环境，居然长出另一种一短棒状的IMC外表(注意铜与铅是不会产生IMC的，且两者之对沾锡纪检监察论文(wetting)与散锡(Spreading)的表现也截然不同。再者铜锡之IMC层一旦遭到氧化时，就会变成一种非常顽强的皮膜，即使薄到5层原子厚度的1.5nm，再猛的助焊剂也都奈何不了它。这就是为什么PTH孔口锡薄处不易吃锡的原因(C.Lea的名著A scientific Guide to SMT之P.337有极清楚的说明)，故知焊点之主体焊锡层必须稍厚时，才能尽量保证焊锡性于不坠。事实上当”沾锡”(Wetting)之初，液锡以很小的接触角(Contact Angle)高温中迅速向外扩张(Spreading) 地盘的同时，也另在地盘内的液锡和固铜之间产生交流，而向下扎根生成IMC，
热力学方式之步骤，即在说明其假想动作的细节。
五、锡铜IMC的老化
由上述可知锡铜之间最先所形成的良性η-phase(Cu6Sn5)，已成为良好焊接的必要条件。唯有这IMC的存在才会出现强度好的焊点。并且也清楚了解这种良好的IMC还会因铜的不断侵入而逐渐劣化，逐渐变为不良的ε-phase(Cu3Sn)。此两种IMC所构成的总厚度将因温度上升而加速长厚，且与时俱增。下表3.即为各种状况下所测得的IMC总厚度。凡其总IMC厚度愈厚者，对以后再进行焊接时之焊锡性也愈差。
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