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。 　　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。 　　◎ 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＝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。 　　三、焊锡性与表面能 　　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 颜色 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 　　白色 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 　　灰色 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(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(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的名着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。 　　表3. 不铜温度中锡铜IMC之不同厚度 　　所处状况 IMC厚度(mils) 　　熔锡板(指炸油或IR) 0.03~0.04 　　喷锡板 0.02~0.037 　　170℃中烤24小时 0.22以上 　　125℃中烤24小时 0.046 　　70℃中烤24小时 0.017 　　70℃中存贮40天 0.05 　　30℃中存贮2年 0.05 　　20℃中存贮5年 0.05 　　组装之单次焊接后 0.01~0.02 　　锡铜IMC的老化增厚，除与时间的平方根成比例关系外，并受到环境温度的强烈影响，在斜率上有很大的改变。 　　在IMC老化过程中，原来锡铅层中的锡份不断的输出，用与底材铜共组成合金共化物，因而使得原来镀锡铅或喷锡铅层中的锡份逐渐减少，进而造成铅份在比例上的不断增加。一旦当IMC的总厚度成长到达整个锡铅层的一半时，其含锡量也将由原来的60%而降到40%，此时其沾锡性的恶化当然就不言而喻。并由底材铜份的无限量供应，但表层皮膜中的锡量却愈来愈少，因而愈往后来所形成的IMC，将愈趋向恶性的Cu3Sn。 　　且请务必注意，一旦环境超过60℃时，即使新生成的Cu6Sn5也开始转变长出Cu3Sn来。 一旦这种不良的ε-phase成了气候，则焊点主体中之锡不断往介面溜走，致使整个主体皮膜中的铅量比例增加，后续的焊接将会呈现缩锡(Dewetting)的场面。这种不归路的恶化情形，又将随着原始锡铅皮膜层的厚薄而有所不同，越薄者还会受到空气中氧气的助虐，使得劣化情形越快。故为了免遭此一额外的苦难，一般规范都要求锡铅皮膜层至少都要在0.3mil以上。 　　老化後的锡铅皮膜，除了不良的IMC及表面能太低，而导致缩锡的效应外，镀铜层中的杂质如氧化物、有机光泽剂等共镀物，以及锡铅镀层中有机物或其它杂质等，也都会朝向IMC处移动集中，而使得缩锡现象雪上加霜更形恶化。 　　从许多种前人的试验及报告文献中，可知有三种加速老化的模式，可以类比出上述两种焊锡性劣化及缩锡现象的试验如下︰ 　　◎ 在高温饱和水蒸气中曝置1-24小时。 　　◎ 在125~150℃的乾烤箱中放置4-16小时。 　　◎ 在高温水蒸气加氧气的环境中放置1小时；之後仅在水蒸气中放置24小时；再另於155℃的乾烤箱中放置4小时；及在40℃，90~95%RH环境中放置10天。如此之连续折腾 　　约等於1年时间的自然老化。 在经此等高温高湿的老化条件下，锡铅皮膜表面及与铜之介面上会出现氧化、腐蚀，及锡原子耗失(Depletion)等，皆将造成焊锡性的劣化。 　　六、锡金IMC 　　焊锡与金层之间的IMC生长比铜锡合金快了很多，由先后出现的顺序所得的分子式有AuSn，AuSn2，AuSn4等。在150℃中老化300小时后，其IMC居然可增长到50μm(或2mil)之厚。因而镀金零件脚经过焊锡之后，其焊点将因IMC的生成太快，而变的强度减弱脆性增大。幸好仍被大量柔软的焊锡所包围，故内中缺点尚不曝露出来。又若当金层很薄时，例如是把薄金层镀在铜面上再去焊锡，则其焊点强度也很快就会变差，其劣化程度可由耐疲劳强度试验周期数之减少而清楚得知。 　　曾有人故意以热压打线法(Thermo-Compression，注意所用温度需低于锡铅之熔点)将金线压入焊锡中，于是黄金就开始向四周的焊锡中扩散，逐渐形成如图中白色散开的IMC。该金线原来的直径为45μm，经155℃中老化460小时后，竟然完全消耗殆尽，其效应实在相当惊人。但若将金层镀在镍面上，或在焊锡中故意加入少许的铟，即可大大减缓这种黄金扩散速度达5倍之多。 　　七、锡银IMC 　　锡与银也会迅速的形成介面合金共化物Ag3Sn，使得许多镀银的零件脚在焊锡之后，很快就会发生银份流失而进入焊锡之中，使得银脚焊点的结构强度迅速恶化，特称为＂渗银Silver leaching＂。此种焊后可靠性的问题，曾在许多以钯层及银层为导体的“厚膜技术＂(Thick Film Technology)中发生过，SMT中也不乏前例。若另将锡铅共融合金比例63/37的焊锡成分，予以小幅的改变而加入2%的银，使成为62/36/2的比例时，即可减轻或避免发生此一＂渗银＂现象，其焊点不牢的烦恼也可为之舒缓。最近兴起的铜垫浸银处理(Immersion Silver)，其有机银层极薄仅4-6μm而已，故在焊接的瞬间，银很快就熔入焊锡主体中，最后焊点构成之IMC层仍为铜锡的Cu6Sn5，故知银层的功用只是在保护铜面而不被氧化而已，与有机护铜剂(OSP)之Enetk极为类似，实际上银本身并未参加焊接。 　　八、锡镍IMC 　　电子零件之接脚为了机械强度起见，常用黄铜代替纯铜当成底材。但因黄铜中含有多量的锌，对于焊锡性会有很大的妨碍，故必须先行镀镍当成屏障(Barrier)层，才能完成焊接的任务。事实上这只是在焊接的瞬间，先暂时达到消灾避祸的目的而已。因不久后镍与锡之间仍也会出现IMC，对焊点强度还是有不良的影响。 　　表4. 各种IMC在扩散系数与活化能方面的比较 　　System Intermetallic Compounds Diffusion Coefficient(m2/s) Activation Energy(J/mol) 　　Cu-Sn Cu6Sn5，Cu3Sn 1×106 80,000 　　Ni-Sn Ni3Sn2，Ni3Sn4，Ni3Sn7 2×107 68,000 　　Au-Sn AuSn，AuSn2 AuSn 3×104 73,000 　　Fe-Sn FeSnFeSn2 2×109 62,000 　　Ag-Sn Ag3Sn 8×109 64,000 　　在一般常温下锡与镍所生成的IMC，其生长速度与锡铜IMC相差很有限。但在高温下却比锡铜合金要慢了很多，故可当成铜与锡或金之间的阻隔层(Barrier Layer)。而且当环境温度不同时，其IMC的外观及组成也各不相同。此种具脆性的IMC接近镍面者之分子视为Ni3Sn4，接近锡面者则甚为分歧难以找出通式，一般以NiSn3为代表。根据一些实验数据，后者生长的速度约为前者的三倍。又因镍在空气非常容易钝化(Passivation)，对焊锡性也会出现极其不利的影响，故一般在镍外表还要镀一层纯锡，以提高焊锡性。若做为接触(Contact)导电用途时，则也可镀金或银。 　　九、结论 　　各种待焊表面其焊锡性的劣化，以及焊点强度的减弱，都是一种自然现象。正如同有情世界的生老病死及无情世界的颓蚀风化一样均迟早发生，无法避免。了解发生的原因与过程之后，若可找出改善之道以延长其使用年限，即为上上之策。