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界面合金共化物
IMC 系 Intermetallic compound 之缩写，笔者将之译为”界面合金共化物”。广义上说是 指某些金属相互紧密接触之接口间，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 Cu 6Sn 5(Eta Phase)及恶性 Cu 3Sn(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。 一、定义
女死囚犯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接口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 ，将不深入涉及其它的 IMC 。
图 1、必须先生乘凉性的 IMC 才会有良好的焊接，但老化后还会另有恶性的 IMC 出现
二、一般性质去氧胆酸
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(见图六)。
图 2. 此为铜面焊点老化后高倍微切片中所看
到各层次不同的组成。
◎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。
◎由于焊锡在接口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。曾凡亚
◎ IMC 会随时老化而逐渐增厚，通常其已长成的厚度，与时间大约形成拋物线的关系，即：
δ＝k ˙√t ，
ca4102k ＝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＝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)
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℃)并在助焊剂的协助下，其表面能只得 380 达因/公分，若将二者焊一起时，其沾锡性将
第一代领导集体
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、锡铜界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，二者在交界面上形 成良性且必须者 Cu 6Sn 5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。
图 6. 清洁的铜面已有焊锡之附着，经长时间老化中的各层次变化过程示意图。
(a) 最初状态：当焊锡着落在清洁的铜面上将立即有η-phase Cu 6Sn 5生成，即图中之(2)部分。 (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 Cu 6Sn 5，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 Cu 3Sn ，即图中之(5)。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 Cu 6Sn 5中，而逐渐使其局部组成改变为 Cu 3Sn 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 Cu 3Sn 是一种对焊锡性颇有妨 碍的 IMC 。
然而早先出现的良性η-phase Cu
6Sn 5， 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 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(Cu 3Sn)常呈现 柱状结晶(Columnar Structure)，而良性的 η-phase(Cu 6Sn 5)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，两种 IMC 的组织皆清晰可见，二者之硬度皆在 500 微硬度单位左右。
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