金屬間化合物，即Intemetallic Compound,縮寫為IMC,我們通常把SMT加工廠的焊料與被焊金屬界面上反應(yīng)生成的IMC作為良好焊點(diǎn)的一個(gè)標(biāo)志。

在各種SMT加工廠的焊料合金中，大量的Sn是主角，它是參與IMC形成的主要元素，其余各元素僅起配角作用，主要是為了降低焊料的熔點(diǎn)以及壓制IMC的生長(zhǎng)，量很少的Cu和Ni也會(huì)參加IMC的結(jié)構(gòu)。

SMT加工廠的界面金屬間化合物(IMC)的形貌與焊后老化時(shí)間有關(guān)。常見的界面反應(yīng)與IMC形貌如下。

1)Sn與Cu界面反應(yīng)

Sn-Pb、SAC、Sn-Cu焊料與OSP、Im-Ag、Im-Sn及HASL的界面反應(yīng)一一樣，本質(zhì)都是Sn與Cu的界面反應(yīng)。

在200~ 350ºC范圍內(nèi),Sn與Cu界面反應(yīng)總會(huì)形成Cu₆Sn₅ 、Cu₃Sn的雙層結(jié)構(gòu)，如圖1-41所示。在240~ 330ºC范圍內(nèi)，Cu₆Sn₅ 和Cu₃Sn同時(shí)生長(zhǎng)，Cu₆Sn₅主要在Cu/Sn邊界形成，Cu₃Sn一般在Cu₆Sn₅與金屬Cu邊界形成，且在富Sn相中Cu₆Sn₅要比Cu₃Sn生長(zhǎng)快得多。另外，在再SMT加工廠的流焊接過程中，Cu₆Sn₅以扇貝形態(tài)生長(zhǎng)，  晶粒粗化過程和擴(kuò)散過程也發(fā)生在Cu₆Sn₅中。Cu₃Sn 一般非常薄，約為0.2 ~ 0.5um，如果放大倍數(shù)≤ 1000，-一般看不到。一般認(rèn)為Cu₃Sn屬于不好的組織，它使焊縫變得十分脆弱。                

通?？吹?/span>SMT加工廠的Sn-Pb與Cu表面形成的IMC形貌如圖1-42所示。

2）Sn與Ni的界面反應(yīng)

SMT加工廠的Sn-Pb焊料與ENIG的界面反應(yīng)屬于Sn與Ni的界面反應(yīng)。由于Ni比較穩(wěn)定，界面反應(yīng)層與Cu相比一般薄得多。根據(jù)相圖推測(cè)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)為Ni₃Sn/Ni₃Sn₂/Ni₃Sn₄，然而在實(shí)際的釬焊界面卻看不到Ni₃Sn，但在NiP合金鍍層中，很容易觀察到Ni₃Sn₄。

Sn與Ni形成的IMC為Ni₃Sn₄典型形貌如圖1-43所示。

通?？吹?/span>SMT加工廠的Sn-Pn與ENIG表面形成的IMC形貌如圖1-44所示。

3) Sn-Cu-N的界面反應(yīng)

SMT加工廠的SAC、SnCu焊料與ENIG的界面反應(yīng)本質(zhì)一樣， 屬于Sn、Cu與Ni的界面反應(yīng)。

N與SAC反應(yīng)，一次再流焊接，一般形成(Cu, Ni)₃Sn₄單層IMC，如圖1-45。如果經(jīng)過多次再流焊接，就會(huì)形成(Ni，Cu）₃sn₄與(Ca，Ni）₆sn₅的雙層的IMC結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的切片圖形貌具有顯著著特點(diǎn)，是薄的、連續(xù)的、灰白色的(Ni,Cu)₃Sn₄與獨(dú)立塊狀(  (即不連續(xù))、暗灰色的(Cu, Ni)₆Sns,如圖1-58所示。許多案例表明，這種結(jié)構(gòu)的焊點(diǎn)強(qiáng)度比較低，不耐沖擊。

形成過程為：Sn與Ni形成Ni₃Sn₄→基材Cu通過Ni晶界擴(kuò)散到Ni₃Sn₄，形成(Ni, Cu)₃Sn₄→焊料中富集的Cu與Ni₃Sn₄反應(yīng)形成(Cu, Ni)₆Sns，隨著再流焊接次數(shù)的增加，不斷長(zhǎng)大，同時(shí)，(Ni,Cu)₃Sn₄基本維持原有尺度。

多次或長(zhǎng)時(shí)間再流焊接條件下，SAC與ENIC表面形成的雙層形貌如圖1-46所示。

3）不良界面IMC的切片圖

（1）塊狀化IMC，并不是一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)，作者用它來描述（切片圖呈現(xiàn)的形貌）一種超厚、超寬且有斷續(xù)的IMC形態(tài)——扇貝形IMC組織粗大（W、h≥5μm）、連續(xù)層非常薄甚至個(gè)別地方斷開（切片圖，放大倍數(shù)≥1000），如圖1-47所示。

圖1-48所示為高溫長(zhǎng)時(shí)間再流焊接形成的焊點(diǎn)切片圖，呈典型的塊狀化IMC結(jié)構(gòu)。其BGA為SAC焊球、OSP焊盤處理工藝，焊接采用的是SnPb焊膏（混裝工藝），焊接峰值溫度為235ºC，217ºC以上時(shí)間為70s。測(cè)試表明其剪切強(qiáng)度比正常焊點(diǎn)低20%以上。

正常的IMC形貌應(yīng)有比較厚的連續(xù)層，且扇貝形IMC是長(zhǎng)在連續(xù)層以上的，是焊料周中Cu擴(kuò)散的結(jié)果，如圖1-49所示。

在Ni/SAC界面，如果再流焊接時(shí)間比較長(zhǎng)也會(huì)形成塊狀化的IMC。如圖1-50所示為電鍍鎳金工藝處理的BGA，在焊接峰值溫度243ºC、217ºC以上焊接時(shí)間95s條件下形成的(Ni,Cu)₃Sn₄塊狀IMC形貌。此切片圖來源于BGA掉落的樣品，因此看不到BGA載板焊盤。

圖1-50中的IMC組織并不相大，但符合塊狀化的特征。此類形貌的IMC不耐機(jī)械應(yīng)力作用，如果SMT加工廠的pcba在生產(chǎn)周轉(zhuǎn)、運(yùn)輸過程中不規(guī)范，很容易導(dǎo)致BGA類應(yīng)力敏感元器件焊點(diǎn)的開裂。

塊狀IMC的形成機(jī)理還不清楚，可能是IMC高溫熔解再結(jié)晶的結(jié)果，這可以解釋連續(xù)層比較薄、塊狀化的形貌。

(2) 含Ag鍍層QFN形成的富Pb焊縫，如圖1-51所示。此圖片來源于某早期失效單板上的QFN切片分析報(bào)告。由于焊縫中富Pb相組織的存在，降低了焊縫強(qiáng)度，導(dǎo)致早起失效。

(3) SMT加工廠的焊點(diǎn)中的Ag₃Sn顆粒尺寸一般在1μm，并均勻地分布于Sn母相中，若隨著Ag含量的增加，達(dá)到3.5%以上，則Ag₃Sn晶粒會(huì)出現(xiàn)粗化，以致出現(xiàn)針狀（切片圖中的表現(xiàn)，實(shí)為板狀，如圖1-52所示），此時(shí)如果合金受到外力作用容易出現(xiàn)龜裂。

當(dāng)Ag的含量低于3.0%時(shí)，在焊縫中幾乎看不到Ag₃Sn。只有當(dāng)Ag的含量達(dá)到3.5%以上并在較長(zhǎng)的焊接時(shí)間、緩慢冷卻條件下，才能形成明顯的Ag₃Sn。

(4) Cu對(duì)IMC的影響

隨著Cu含量的增加，界面IMC結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，如圖1-53所示。