无铅焊接的IMC与锡须（一）IMC的不同面貌

锡对铜的焊接，其介面间必须先要生成Cu6Sn5的良性IMC，才算沾锡(Wetting)与形成焊点(Solder Joint)，也才宣告完成牢固的焊接(Soldering)。否则只是不堪一击的冷焊(Cold Soldering)或虚焊假焊而已。机械式的振动试验与摔落试验，正是检查其等是否“焊牢”的立即手段。而长期之温度循环试验，则又是针对已焊牢的状况下，继续考验其焊点之可靠度(Reliability)如何。读者们必须瞭解，IMC才真正是焊接或焊点的基础，通常只凭外观实做与大量品检之现场经验，或一厢情愿以讹传讹积非成是而又漠视科学真理者，均属白莲教徒类半桶水式的专家。
大发快盈500 此为铜底镀纯锡后，其介面间常温所自然生长Cu6Sn5的I MC，与高温加速生长较厚之IMC，其侧视与俯视之对应情形。后者系将纯锡层剥蚀掉，但却留下顽强I MC h,~精采突起的画面

图1、此为铜底镀纯锡后，其介面间常温所自然生长Cu6Sn5的IMC，与高温加速生长较厚之IMC，其侧视与俯视之对应情形。后者系将纯锡层剥蚀掉，但却留下顽强IMC的精采突起的画面
此为EN I G表面处理的焊垫，经Sn63／Pb3 7焊接后所长出N i 3Sn4的I MC。左图为400倍右图为2000倍，因系经S EM所摄影故只能以黑白昼面呈现

图2、此为ENIG表面处理的焊垫，经Sn63／Pb37焊接后所长出Ni3Sn4的IMC。左图为400倍右图为2000倍，因系经SEM所摄影故只能以黑白昼面呈现
为了进一步认知无铅焊接的IMC，与透析无铅或高锡量焊接所引发的锡须，特大量阅读极多最新文献，并小心实做微切片下，整理成本文以分享给广大的业者与读者。
有铅焊接时，真正参与介面之间焊点结合者，只有锡金属本身而已，铅的角色与功用容后再述。如今无铅时代即将到来，主流之锡银铜合金〈ASC305或SAC405〉焊料，或其他各种各样的无铅焊料，其中能够参加介面结合者，仍然只有锡而已。换句话说球队中能够射门或投篮者，永远都只是锡金属而已。其他虽然都是配角， 但其等重要性与必要性却不容忽现。
此为无铅锡膏(S nAg 3.8C u 0.7)焊在铜面上，经微切片抛光与微蚀后所看到三种不同的I MC；即介面I MC (C u6S n5)，针状IMC(A g3S n)与枝桠间C u6S n5的IMC

图3、此为无铅锡膏(SnAg3.8Cu0.7)焊在铜面上，经微切片抛光与微蚀后所看到三种不同的IMC；即介面IMC(Cu6Sn5)，针状IMC(Ag3Sn)与枝桠间Cu6Sn5的IMC。
大发快盈500 左图为Auger电子显微镜所见到纯锡凸块承垫(UBM)的铜面上，经熔焊沾锡所呈现的剖面图  (蓝色是铜，红色是锡，中间粉色者即为C u 6S n：的I MC)o右图系将原切样再经欧杰式电子显微镜内部之氩气溅射后，所见到三种不同组成的清晰画面

图4、左图为Auger电子显微镜所见到纯锡凸块承垫(UBM)的铜面上，经熔焊沾锡所呈现的剖面图  (蓝色是铜，红色是锡，中间粉色者即为Cu6Sn5的IMC)o右图系将原切样再经欧杰式电子显微镜内部之氩气溅射后，所见到三种不同组成的清晰画面
一、介面良性的IMC
可与锡金属构成焊点介面结合者，电子工业中也只用到铜(C u)与镍(N i)做为焊点的基地而已。也就是高温中在铜面上瞬间反应，化合成为六铜五锡的化合物，Cu6Sn5， eta phase，或在镍面上形成三镍四锡之另一种化合物，唯有如此方可完成沾锡与焊牢。至有关PCB承接的焊垫(含孔环孔壁)，其等表面处理诸如喷锡，OSP、I-Ag、I-Sn等，都是以Cu6Sn5的IMC所焊牢。至于ENIG或电镀镍金，则是在镍面上长出另一种焊点；通常铜面IMC之成长速度与强度，都超过镍面IMC o此等良性的IMC是焊接的先决条件，未能形成IMC者就根本没焊牢。无法生成良性IMC的原因很多，如：
1．铜面或镍面遭到较严重的污染，连助焊剂也清除不掉。
2．热量不足无法完成IMC的化合反应.
3．无铅焊接时遭到少量的铅污染或铋含量，高温中此二杂质会迅速栘往铜面与镍面，进而阻止了IMC的生成反应。
以上种种结合力付之阙如的焊接，经常被称为冶焊、虚焊，或假焊。

图5、为200℃下铜面生长的eta-IMC，于不同时间点长厚长大而经SEM的扫视图。
大发快盈500 为200℃下铜面生长的eta-IMC，于不同时间点长厚长大而经SEM的扫视图

图6、此为刻意将镍面与铜面，以无铅锡膏在250℃下所分别熔焊10秒、30秒，与1分钟后，再经切片微蚀后採SEM放大1500倍而见到镍面IMC的变化，与铜面IMC不断长厚的对比情形。
二、老化后介面间的恶性IMC
上述IMC之所以形成，说穿了就是清洁的固体铜与固体镍的表面，在高温中迅速迁移(Migration)参与到液态的锡金属中去，也可说是溶化到液锡中。冷却固化后其介面即已形成了良性的IMC ，彼此也就强力的结合而焊牢了 。
然而完成焊接的后续日子裡，固体铜与固体锡之间的相互迁移并未停止，其中铜的移动速率比锡要快〈比镍溶在液锡中的速率要快40倍以上，也就是老化或劣化的较快），致使长时间放置后，在原本的Cu6Sn5与底铜之间，又逐渐长出了一种恶性IMC的Cu3Sn。一旦如此则銲点强度将逐渐弱化，其老化与衰败也正如同生物的老病与死亡一样，是无法阻止的自然法则；且在高温环境中还会加速老化的进行。
大发快盈500 此为铜面Cu6Sn5的eta-IMC，分别在室温与5 5℃中，经历长时间老化所长厚的趋势图。

图7、此为铜面Cu6Sn5的eta-IMC，分别在室温与5 5℃中，经历长时间老化所长厚的趋势图。
大发快盈500 此为BGA无铅球脚採无铅锡膏在铜垫上完成焊接，又刻意在150℃高温放置32天后之微切片画面。此时Eta-IMC与底铜之间已长出清晰可见的Cu6Sn5恶性Epsilon IMC。此等过度老化之銲点实际上已经非常脆弱了

图8、此为BGA无铅球脚採无铅锡膏在铜垫上完成焊接，又刻意在150℃高温放置32天后之微切片画面。此时Eta-IMC与底铜之间已长出清晰可见的Cu6Sn5恶性Epsilon IMC。此等过度老化之銲点实际上已经非常脆弱了。
三、焊点中的Dendrite IMC
介面间的IMC是良性焊接的必要条件，但銲点中枝桠状四分五裂的IMC，却是对焊接强度有害的癌细胞。介面间必须产生良性的IMC，才能完成可靠的焊接，故知介面中的IMC是件绝对必要的好事。然而一旦銲点中也出现了零星分散式的1^10：而造成不均相的分佈者，则对銲点强度而言那就大大的不妙了 。从各种老化试验以及銲点开裂的分析可知，都是肇始于銲点中不该有的IMC。此种不均相的枝晶，由于其CTE与均相銲料者颇有差异， 长期热胀冷缩中，不免会与週遭均相銲料步调不同发生扞格，进而由初始的微裂， 逐渐发展成分崩离析的开口大裂。
此三图均为SAC无铅焊点冷焊料都会发生非均质结构式却后所出现的微裂情形

图9、此三图均为SAC无铅焊点冷焊料都会发生非均质结构式却后所出现的微裂情形，不管是熔焊或波焊只要是LF銲料都会发生非均质结构式的的微裂，只有在焊后瞬间迅速降温(5—6℃／sec)扰乱其晶出固化过程下，才可能减少一些微裂的瑕疵。
已延用多年的有铅焊接，其焊料中选择铅金属做为伙伴，做为稀释剂，做为合金，在工程技术方面都是绝对明智的选择。因为铅不会与锡形成IMC，又可以任何比例很容易与锡组成合金  ，所以不会削弱焊点强度，也不致造成后患。不幸的是在无铅的SAC中，不但铜会与锡在焊点中生成针状的IMC，银也会与锡形成窄条而四处乱射的IMC，二者老化中均不免大扯强度的后腿。
有铅焊接以波焊为例，一旦焊料中的铜污染(来自的焊垫与零件脚)超过重量比1％时，焊点切片中即可见到如箭一般射出的Cu6Sn5枝晶。SAC 305冷却后的焊点，不但组织非常粗糙，而且抛光截面上微蚀后，还一定会见到三银一锡长条状的白色IMC(Ag3Sn)。黄金溶人液锡的速率则更快(是镍的1150倍)，常以AuSn、AuSn2或AuSn4等结合方式出现，只是其DendriteS较小不太明显而已，一旦重量比超过3％时，其焊点还会出现容易开裂的“金脆”。
大发快盈500 此三图分别为S n A g与S A C两种L F焊料，在焊点内所出现板状条状的Ag3Sn不良Dendrite式IMC，对长期可靠度会有不良的影响

图10、此三图分别为SnAg与SAC两种LF焊料，在焊点内所出现板状条状的Ag3Sn不良Dendrite式IMC，对长期可靠度会有不良的影响。
大发快盈500 此为最常见锡与铅两相合金的“金相平衡图”

图11、此为最常见锡与铅两相合金的“金相平衡图”，其中的Sn63／Pb37正是梦寐以求的共晶组成，也正是熔点最低最理想的均质焊料，其固化与液化过程并未通过浆态，是不易开裂的最佳合金。