錫對(duì)銅的焊接，其介面間必須先要生成Cu6Sn5的良性IMC，才算沾錫(Wetting)與形成焊點(diǎn)(Solder Joint)，也才宣告完成牢固的焊接(Soldering)。否則只是不堪一擊的冷焊(Cold Soldering)或虛焊假焊而已。機(jī)械式的振動(dòng)試驗(yàn)與摔落試驗(yàn)，正是檢查其等是否“焊牢”的立即手段。而長(zhǎng)期之溫度循環(huán)試驗(yàn)，則又是針對(duì)已焊牢的狀況下，繼續(xù)考驗(yàn)其焊點(diǎn)之可靠度(Reliability)如何。讀者們必須瞭解，IMC才真正是焊接或焊點(diǎn)的基礎(chǔ)，通常只憑外觀實(shí)做與大量品檢之現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，或一廂情愿以訛傳訛積非成是而又漠視科學(xué)真理者，均屬白蓮教徒類(lèi)半桶水式的專(zhuān)家。
此為銅底鍍純錫后，其介面間常溫所自然生長(zhǎng)Cu6Sn5的I MC，與高溫加速生長(zhǎng)較厚之IMC，其側(cè)視與俯視之對(duì)應(yīng)情形。后者系將純錫層剝蝕掉，但卻留下頑強(qiáng)I MC h,~精采突起的畫(huà)面

圖1、此為銅底鍍純錫后，其介面間常溫所自然生長(zhǎng)Cu6Sn5的IMC，與高溫加速生長(zhǎng)較厚之IMC，其側(cè)視與俯視之對(duì)應(yīng)情形。后者系將純錫層剝蝕掉，但卻留下頑強(qiáng)IMC的精采突起的畫(huà)面
此為EN I G表面處理的焊墊，經(jīng)Sn63／Pb3 7焊接后所長(zhǎng)出N i 3Sn4的I MC。左圖為400倍右圖為2000倍，因系經(jīng)S EM所攝影故只能以黑白晝面呈現(xiàn)

圖2、此為ENIG表面處理的焊墊，經(jīng)Sn63／Pb37焊接后所長(zhǎng)出Ni3Sn4的IMC。左圖為400倍右圖為2000倍，因系經(jīng)SEM所攝影故只能以黑白晝面呈現(xiàn)
為了進(jìn)一步認(rèn)知無(wú)鉛焊接的IMC，與透析無(wú)鉛或高錫量焊接所引發(fā)的錫須，特大量閱讀極多最新文獻(xiàn)，并小心實(shí)做微切片下，整理成本文以分享給廣大的業(yè)者與讀者。
有鉛焊接時(shí)，真正參與介面之間焊點(diǎn)結(jié)合者，只有錫金屬本身而已，鉛的角色與功用容后再述。如今無(wú)鉛時(shí)代即將到來(lái)，主流之錫銀銅合金〈ASC305或SAC405〉焊料，或其他各種各樣的無(wú)鉛焊料，其中能夠參加介面結(jié)合者，仍然只有錫而已。換句話說(shuō)球隊(duì)中能夠射門(mén)或投籃者，永遠(yuǎn)都只是錫金屬而已。其他雖然都是配角， 但其等重要性與必要性卻不容忽現(xiàn)。
此為無(wú)鉛錫膏(S nAg 3.8C u 0.7)焊在銅面上，經(jīng)微切片拋光與微蝕后所看到三種不同的I MC；即介面I MC (C u6S n5)，針狀I(lǐng)MC(A g3S n)與枝椏間C u6S n5的IMC

圖3、此為無(wú)鉛錫膏(SnAg3.8Cu0.7)焊在銅面上，經(jīng)微切片拋光與微蝕后所看到三種不同的IMC；即介面IMC(Cu6Sn5)，針狀I(lǐng)MC(Ag3Sn)與枝椏間Cu6Sn5的IMC。
左圖為Auger電子顯微鏡所見(jiàn)到純錫凸塊承墊(UBM)的銅面上，經(jīng)熔焊沾錫所呈現(xiàn)的剖面圖  (藍(lán)色是銅，紅色是錫，中間粉色者即為C u 6S n：的I MC)o右圖系將原切樣再經(jīng)歐杰式電子顯微鏡內(nèi)部之氬氣濺射后，所見(jiàn)到三種不同組成的清晰畫(huà)面

 圖4、左圖為Auger電子顯微鏡所見(jiàn)到純錫凸塊承墊(UBM)的銅面上，經(jīng)熔焊沾錫所呈現(xiàn)的剖面圖  (藍(lán)色是銅，紅色是錫，中間粉色者即為Cu6Sn5的IMC)o右圖系將原切樣再經(jīng)歐杰式電子顯微鏡內(nèi)部之氬氣濺射后，所見(jiàn)到三種不同組成的清晰畫(huà)面
一、介面良性的IMC
可與錫金屬構(gòu)成焊點(diǎn)介面結(jié)合者，電子工業(yè)中也只用到銅(C u)與鎳(N i)做為焊點(diǎn)的基地而已。也就是高溫中在銅面上瞬間反應(yīng)，化合成為六銅五錫的化合物，Cu6Sn5， eta phase，或在鎳面上形成三鎳四錫之另一種化合物，唯有如此方可完成沾錫與焊牢。至有關(guān)PCB承接的焊墊(含孔環(huán)孔壁)，其等表面處理諸如噴錫，OSP、I-Ag、I-Sn等，都是以Cu6Sn5的IMC所焊牢。至于ENIG或電鍍鎳金，則是在鎳面上長(zhǎng)出另一種焊點(diǎn)；通常銅面IMC之成長(zhǎng)速度與強(qiáng)度，都超過(guò)鎳面IMC o此等良性的IMC是焊接的先決條件，未能形成IMC者就根本沒(méi)焊牢。無(wú)法生成良性IMC的原因很多，如：
1．銅面或鎳面遭到較嚴(yán)重的污染，連助焊劑也清除不掉。
2．熱量不足無(wú)法完成IMC的化合反應(yīng).
3．無(wú)鉛焊接時(shí)遭到少量的鉛污染或鉍含量，高溫中此二雜質(zhì)會(huì)迅速栘往銅面與鎳面，進(jìn)而阻止了IMC的生成反應(yīng)。
以上種種結(jié)合力付之闕如的焊接，經(jīng)常被稱(chēng)為冶焊、虛焊，或假焊。

圖5、為200℃下銅面生長(zhǎng)的eta-IMC，于不同時(shí)間點(diǎn)長(zhǎng)厚長(zhǎng)大而經(jīng)SEM的掃視圖。
為200℃下銅面生長(zhǎng)的eta-IMC，于不同時(shí)間點(diǎn)長(zhǎng)厚長(zhǎng)大而經(jīng)SEM的掃視圖

圖6、此為刻意將鎳面與銅面，以無(wú)鉛錫膏在250℃下所分別熔焊10秒、30秒，與1分鐘后，再經(jīng)切片微蝕后採(cǎi)SEM放大1500倍而見(jiàn)到鎳面IMC的變化，與銅面IMC不斷長(zhǎng)厚的對(duì)比情形。
二、老化后介面間的惡性IMC
上述IMC之所以形成，說(shuō)穿了就是清潔的固體銅與固體鎳的表面，在高溫中迅速遷移(Migration)參與到液態(tài)的錫金屬中去，也可說(shuō)是溶化到液錫中。冷卻固化后其介面即已形成了良性的IMC ，彼此也就強(qiáng)力的結(jié)合而焊牢了 。
然而完成焊接的后續(xù)日子裡，固體銅與固體錫之間的相互遷移并未停止，其中銅的移動(dòng)速率比錫要快〈比鎳溶在液錫中的速率要快40倍以上，也就是老化或劣化的較快），致使長(zhǎng)時(shí)間放置后，在原本的Cu6Sn5與底銅之間，又逐漸長(zhǎng)出了一種惡性IMC的Cu3Sn。一旦如此則銲點(diǎn)強(qiáng)度將逐漸弱化，其老化與衰敗也正如同生物的老病與死亡一樣，是無(wú)法阻止的自然法則；且在高溫環(huán)境中還會(huì)加速老化的進(jìn)行。
此為銅面Cu6Sn5的eta-IMC，分別在室溫與5 5℃中，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間老化所長(zhǎng)厚的趨勢(shì)圖。

圖7、此為銅面Cu6Sn5的eta-IMC，分別在室溫與5 5℃中，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間老化所長(zhǎng)厚的趨勢(shì)圖。
此為BGA無(wú)鉛球腳採(cǎi)無(wú)鉛錫膏在銅墊上完成焊接，又刻意在150℃高溫放置32天后之微切片畫(huà)面。此時(shí)Eta-IMC與底銅之間已長(zhǎng)出清晰可見(jiàn)的Cu6Sn5惡性Epsilon IMC。此等過(guò)度老化之銲點(diǎn)實(shí)際上已經(jīng)非常脆弱了

圖8、此為BGA無(wú)鉛球腳採(cǎi)無(wú)鉛錫膏在銅墊上完成焊接，又刻意在150℃高溫放置32天后之微切片畫(huà)面。此時(shí)Eta-IMC與底銅之間已長(zhǎng)出清晰可見(jiàn)的Cu6Sn5惡性Epsilon IMC。此等過(guò)度老化之銲點(diǎn)實(shí)際上已經(jīng)非常脆弱了。
三、焊點(diǎn)中的Dendrite IMC
介面間的IMC是良性焊接的必要條件，但銲點(diǎn)中枝椏狀四分五裂的IMC，卻是對(duì)焊接強(qiáng)度有害的癌細(xì)胞。介面間必須產(chǎn)生良性的IMC，才能完成可靠的焊接，故知介面中的IMC是件絕對(duì)必要的好事。然而一旦銲點(diǎn)中也出現(xiàn)了零星分散式的1^10：而造成不均相的分佈者，則對(duì)銲點(diǎn)強(qiáng)度而言那就大大的不妙了 。從各種老化試驗(yàn)以及銲點(diǎn)開(kāi)裂的分析可知，都是肇始于銲點(diǎn)中不該有的IMC。此種不均相的枝晶，由于其CTE與均相銲料者頗有差異， 長(zhǎng)期熱脹冷縮中，不免會(huì)與週遭均相銲料步調(diào)不同發(fā)生捍格，進(jìn)而由初始的微裂， 逐漸發(fā)展成分崩離析的開(kāi)口大裂。
此三圖均為SAC無(wú)鉛焊點(diǎn)冷焊料都會(huì)發(fā)生非均質(zhì)結(jié)構(gòu)式卻后所出現(xiàn)的微裂情形

圖9、此三圖均為SAC無(wú)鉛焊點(diǎn)冷焊料都會(huì)發(fā)生非均質(zhì)結(jié)構(gòu)式卻后所出現(xiàn)的微裂情形，不管是熔焊或波焊只要是LF銲料都會(huì)發(fā)生非均質(zhì)結(jié)構(gòu)式的的微裂，只有在焊后瞬間迅速降溫(5—6℃／sec)擾亂其晶出固化過(guò)程下，才可能減少一些微裂的瑕疵。
已延用多年的有鉛焊接，其焊料中選擇鉛金屬做為伙伴，做為稀釋劑，做為合金，在工程技術(shù)方面都是絕對(duì)明智的選擇。因?yàn)殂U不會(huì)與錫形成IMC，又可以任何比例很容易與錫組成合金  ，所以不會(huì)削弱焊點(diǎn)強(qiáng)度，也不致造成后患。不幸的是在無(wú)鉛的SAC中，不但銅會(huì)與錫在焊點(diǎn)中生成針狀的IMC，銀也會(huì)與錫形成窄條而四處亂射的IMC，二者老化中均不免大扯強(qiáng)度的后腿。
有鉛焊接以波焊為例，一旦焊料中的銅污染(來(lái)自PCB的焊墊與零件腳)超過(guò)重量比1％時(shí)，焊點(diǎn)切片中即可見(jiàn)到如箭一般射出的Cu6Sn5枝晶。SAC 305冷卻后的焊點(diǎn)，不但組織非常粗糙，而且拋光截面上微蝕后，還一定會(huì)見(jiàn)到三銀一錫長(zhǎng)條狀的白色I(xiàn)MC(Ag3Sn)。黃金溶人液錫的速率則更快(是鎳的1150倍)，常以AuSn、AuSn2或AuSn4等結(jié)合方式出現(xiàn)，只是其DendriteS較小不太明顯而已，一旦重量比超過(guò)3％時(shí)，其焊點(diǎn)還會(huì)出現(xiàn)容易開(kāi)裂的“金脆”。
此三圖分別為S n A g與S A C兩種L F焊料，在焊點(diǎn)內(nèi)所出現(xiàn)板狀條狀的Ag3Sn不良Dendrite式IMC，對(duì)長(zhǎng)期可靠度會(huì)有不良的影響 圖10、此三圖分別為SnAg與SAC兩種LF焊料，在焊點(diǎn)內(nèi)所出現(xiàn)板狀條狀的Ag3Sn不良Dendrite式IMC，對(duì)長(zhǎng)期可靠度會(huì)有不良的影響。

此為最常見(jiàn)錫與鉛兩相合金的“金相平衡圖”

圖11、此為最常見(jiàn)錫與鉛兩相合金的“金相平衡圖”，其中的Sn63／Pb37正是夢(mèng)寐以求的共晶組成，也正是熔點(diǎn)最低最理想的均質(zhì)焊料，其固化與液化過(guò)程并未通過(guò)漿態(tài)，是不易開(kāi)裂的最佳合金。

山東特畏艦新能源科技有限公司   聯(lián)系電話：18865375835