SMT 之(zhi)IMC系Intermetallic compound 之(zhi)縮寫，筆者(zhe)將之(zhi)譯為(wei)＂介面合金共化物＂。

廣義上(shang)說是(shi)指某些金(jin)屬相互緊密接觸之介面間，會產生一種原(yuan)子遷(qian)移互動(dong)的行為(wei)，組成(cheng)一層(ceng)類似合金(jin)的＂化(hua)合物(wu)＂，并可寫出分子式。在焊(han)接領(ling)域(yu)的狹義上(shang)是(shi)指銅錫(xi)、金(jin)錫(xi)、鎳(nie)錫(xi)及銀錫(xi)之間的共化(hua)物(wu)。其(qi)中尤(you)以銅錫(xi)間之良性Cu6Sn5(Eta Phase)及惡性Cu3Sn(Epsilon Phase)最為(wei)常見(jian)，對焊(han)錫(xi)性及焊(han)點(dian)(dian)可靠度(du)(即焊(han)點(dian)(dian)強度(du))兩者影(ying)響最大(da)，特整理多篇論文之精華以詮釋之。

一、定義

　　能(neng)夠被錫(xi)(xi)鉛合金焊(han)(han)(han)料(或稱(cheng)(cheng)焊(han)(han)(han)錫(xi)(xi)Solder)所焊(han)(han)(han)接的(de)(de)金屬(shu)，如銅、鎳、金、銀等(deng)，其焊(han)(han)(han)錫(xi)(xi)與被焊(han)(han)(han)盤金屬(shu)之(zhi)(zhi)間，在高溫中會(hui)快速形成一(yi)(yi)薄層(ceng)類似＂錫(xi)(xi)合金＂的(de)(de)化(hua)合物。此(ci)物起源于錫(xi)(xi)原(yuan)子(zi)及被焊(han)(han)(han)金屬(shu)原(yuan)子(zi)之(zhi)(zhi)相互結合、滲入(ru)(ru)、遷移(yi)、及擴(kuo)散等(deng)動作，而在冷卻固化(hua)之(zhi)(zhi)后(hou)立即出(chu)現一(yi)(yi)層(ceng)薄薄的(de)(de)＂共化(hua)物＂，且事后(hou)還(huan)會(hui)逐漸成長增厚。此(ci)類物質其老化(hua)程(cheng)度受到錫(xi)(xi)原(yuan)子(zi)與底(di)金屬(shu)原(yuan)子(zi)互相滲入(ru)(ru)的(de)(de)多(duo)少，而又可分出(chu)好幾道層(ceng)次來。這種由焊(han)(han)(han)錫(xi)(xi)與其被焊(han)(han)(han)金屬(shu)介(jie)面之(zhi)(zhi)間所形成的(de)(de)各種共合物，統稱(cheng)(cheng)Intermetallic Compound 簡稱(cheng)(cheng)IMC，本文中僅討論含(han)錫(xi)(xi)的(de)(de)IMC，將不深入(ru)(ru)涉及其他(ta)的(de)(de)IMC。

二、一般性質

　　由于IMC曾是一種(zhong)可以寫(xie)出分子式的＂準化合(he)物＂，故其(qi)性質(zhi)與原(yuan)來(lai)的金(jin)屬已大不(bu)(bu)相(xiang)同，對整體(ti)焊點(dian)強度(du)也有不(bu)(bu)同程度(du)的影響，首先將其(qi)特性簡述(shu)于下：

　　◎ IMC在PCB高溫焊接或錫(xi)鉛重熔(rong)(即熔(rong)錫(xi)板或噴錫(xi))時才會(hui)發生，有(you)一定(ding)的組成及(ji)晶體(ti)結構(gou)，且其生長(chang)速度(du)與溫度(du)成正比(bi)，常溫中(zhong)較(jiao)慢(man)。一直到出現(xian)全鉛的阻絕層(Barrier)才會(hui)停(ting)止(見圖六)。

　　◎ IMC本身具有不良的脆性，將會損及焊點之機(ji)械強度(du)及壽命，其(qi)中尤其(qi)對抗(kang)勞強度(du)(Fatigue Strength)危害(hai)最烈，且其(qi)熔點也較金屬要高。

　　◎ 由于焊(han)錫(xi)在介面附近得(de)錫(xi)原子會逐漸移走，而與被焊(han)金屬組成IMC，使(shi)得(de)該處的錫(xi)量(liang)減少，相對的使(shi)得(de)鉛量(liang)之比(bi)例增加，以致使(shi)焊(han)點展性增大(Ductillity)及固著(zhu)強度降低，久之甚至帶(dai)來整(zheng)個焊(han)錫(xi)體的松弛(chi)。

　　◎ 一旦焊墊(dian)商原有的熔(rong)錫層或噴(pen)錫層，其與(yu)底銅(tong)之間已出現(xian)＂較(jiao)厚(hou)＂間距過(guo)小的IMC后，對該焊墊(dian)以后再(zai)續作(zuo)焊接時會(hui)有很大的妨(fang)礙；也就(jiu)是在焊錫性(Solderability)或沾錫性(Wettability)上都(dou)將會(hui)出現(xian)劣化(hua)的情形(xing)。

　　◎ 焊點中由(you)于錫銅結晶(jing)(jing)或錫銀結晶(jing)(jing)的滲入，使(shi)得(de)該焊錫本(ben)身的硬度也(ye)隨(sui)之增加(jia)，久之會有(you)脆化的麻(ma)煩。

　　◎ IMC會隨時(shi)老化而逐漸增厚(hou)，通常其已長成(cheng)的厚(hou)度，與時(shi)間(jian)大約形(xing)成(cheng)拋(pao)物線的關系，即：

　　δ＝k √t，

　　k＝k exp(－Q/RT)

　　δ表示t時(shi)間后(hou)IMC已成(cheng)長(chang)的厚度。

　　K表示在某一溫度下IMC的生長常數。

　　T表(biao)示絕(jue)對(dui)溫(wen)度。

　　R表示(shi)氣(qi)體常數，

　　即8.32 J/mole。

　　Q表示IMC生長的活化能。

　　K＝IMC對(dui)時間的生長(chang)常數(shu)，以nm / √秒(miao)或(huo)μm / √日(ri)或(huo)1μm / √日(ri)＝3.4nm / √秒(miao)。

現(xian)將四種常見含錫的(de)IMC在(zai)不同溫度(du)下，其(qi)生長速度(du)比較在(zai)下表的(de)數字中：

　　各種IMC在(zai)不(bu)同溫度(du)中之(zhi)生長速度(du)(nm / √s)

　　金屬介面 20℃ 100℃ 135℃ 150℃ 170℃

　　1. 錫 / 金 40

　　2. 錫(xi) / 銀 0.08 17-35

　　3. 錫 / 鎳 0.08 1 5

　　4. 錫 / 銅 0.26 1.4 3.8 10

　　[注] 在170℃高溫中銅面上(shang)，各種含錫(xi)(xi)合金IMC層(ceng)(ceng)的(de)生長(chang)速(su)率，也有所不同(tong)；如(ru)熱浸(jin)錫(xi)(xi)鉛為5nm/s，霧狀(zhuang)純錫(xi)(xi)鍍(du)層(ceng)(ceng)為7.7(以下單位相同(tong))，錫(xi)(xi)鉛比(bi)30/70的(de)皮膜為11.2，錫(xi)(xi)鉛比(bi)70/30的(de)皮膜為12.0，光澤鍍(du)純錫(xi)(xi)為3.7，其中以最后之光澤鍍(du)錫(xi)(xi)情況較好。

三、焊錫性與表面能

　　若純(chun)就(jiu)可被焊(han)接之(zhi)金屬而(er)言，影響(xiang)其焊(han)錫性(Solderability)好(hao)壞的機理作用甚多，其中要點之(zhi)一就(jiu)是＂表面(mian)自由能＂(Surface Free Energy，簡稱時可省掉Free)的大小。也就(jiu)是說可焊(han)與否將(jiang)取決于：

　　(1) 被焊底金(jin)屬表面之表面能(Surface Energy)，

　　(2) 焊(han)錫(xi)焊(han)料本(ben)身的＂表面能＂等二(er)者(zhe)而定。

　　凡底金屬之表(biao)面(mian)能(neng)大(da)于焊(han)錫(xi)本身之表(biao)面(mian)能(neng)時，則其(qi)沾錫(xi)性會(hui)非(fei)常好，反(fan)之則沾錫(xi)性會(hui)變(bian)差(cha)(cha)。也就是說當(dang)底金屬之表(biao)面(mian)能(neng)減掉焊(han)錫(xi)表(biao)面(mian)能(neng)而得到負值時，將出(chu)現縮錫(xi)(Dewetting)，負值愈大(da)則焊(han)錫(xi)愈差(cha)(cha)，甚至(zhi)造成不沾錫(xi)(Non-Wetting)的惡劣地(di)步。

　　新鮮的(de)(de)銅面(mian)在真空中測(ce)到(dao)的(de)(de)＂表面(mian)能(neng)(neng)＂約為(wei)1265達因(yin)/公分，63/37的(de)(de)焊(han)(han)(han)錫加熱到(dao)共熔(rong)點(Eutectic Point 183℃)并在助(zhu)焊(han)(han)(han)劑的(de)(de)協(xie)助(zhu)下(xia)，其(qi)表面(mian)能(neng)(neng)只得(de)380達因(yin)/公分，若將二(er)者焊(han)(han)(han)一(yi)起時(shi)，其(qi)沾錫性將非常良好(hao)。然(ran)而若將上(shang)述新鮮潔凈的(de)(de)銅面(mian)刻意放(fang)在空氣中經歷2小(xiao)時(shi)后，其(qi)表面(mian)能(neng)(neng)將會遽(ju)降到(dao)25達因(yin)/公分，與380相(xiang)減(jian)不但是負值(-355)，而且相(xiang)去(qu)甚遠，焊(han)(han)(han)錫自然(ran)不會好(hao)。因(yin)此必須(xu)要靠(kao)強力的(de)(de)助(zhu)焊(han)(han)(han)劑除去(qu)銅面(mian)的(de)(de)氧化(hua)物(wu)，使(shi)之(zhi)(zhi)再活化(hua)及表面(mian)能(neng)(neng)之(zhi)(zhi)再次(ci)提高，并超過焊(han)(han)(han)錫本身的(de)(de)表面(mian)能(neng)(neng)時(shi)，焊(han)(han)(han)錫性才會有(you)良好(hao)的(de)(de)成(cheng)績(ji)。

四、錫銅介面合金共化物的生成與老化

　　當(dang)熔(rong)融態的(de)焊錫(xi)(xi)(xi)落在潔銅(tong)面的(de)瞬間，將(jiang)會(hui)(hui)立即(ji)發(fa)生(sheng)沾錫(xi)(xi)(xi)(Wetting俗(su)稱(cheng)吃錫(xi)(xi)(xi))的(de)焊接(jie)動作。此(ci)時(shi)(shi)也立即(ji)會(hui)(hui)有錫(xi)(xi)(xi)原(yuan)子擴散(san)(Diffuse)到銅(tong)層(ceng)中(zhong)去，而(er)銅(tong)原(yuan)子也同時(shi)(shi)會(hui)(hui)擴散(san)進入焊錫(xi)(xi)(xi)中(zhong)，二者在交(jiao)接(jie)口(kou)上形成良性且(qie)必須者Cu6Sn5的(de)IMC，稱(cheng)為η-phase(讀(du)做Eta相)，此(ci)種新生(sheng)＂準化合物＂中(zhong)含錫(xi)(xi)(xi)之重量(liang)比約占60%。若以少量(liang)的(de)銅(tong)面與多量(liang)焊錫(xi)(xi)(xi)遭遇時(shi)(shi)，只需(xu)3-5秒鐘(zhong)其IMC即(ji)可成長到平衡狀態的(de)原(yuan)度，如240℃的(de)0.5μm到340℃的(de)0.9μm。然而(er)在此(ci)交(jiao)會(hui)(hui)互(hu)熔(rong)的(de)同時(shi)(shi)，底銅(tong)也會(hui)(hui)有一部份熔(rong)進液錫(xi)(xi)(xi)的(de)主體錫(xi)(xi)(xi)池中(zhong)，形成負面的(de)污(wu)染。

　　(a) 最初(chu)狀態：當焊錫(xi)著落在清(qing)潔的銅面上(shang)將立(li)即(ji)有η-phase Cu6Sn5生成，即(ji)圖中之(2)部分。

　　(b) 錫(xi)(xi)(xi)(xi)份滲耗期(qi)：焊錫(xi)(xi)(xi)(xi)層中(zhong)的錫(xi)(xi)(xi)(xi)份會不斷(duan)的流失而滲向IMC去組新(xin)的Cu6Sn5，而同時銅份也會逐漸滲向原(yuan)有的η-phase層次中(zhong)而去組成(cheng)新(xin)的Cu3Sn，即圖中(zhong)之(5)。此(ci)時焊錫(xi)(xi)(xi)(xi)中(zhong)之錫(xi)(xi)(xi)(xi)量將減少，使(shi)得鉛量在比例上有所增加，若于其外(wai)表欲(yu)再行(xing)焊接時將會發生縮(suo)錫(xi)(xi)(xi)(xi)。

　　(c) 多(duo)鉛之阻絕(jue)(jue)層：當焊錫(xi)層中的錫(xi)份不斷滲走再去組成更(geng)厚(hou)的IMC時，逐漸使得本身(shen)的含鉛比例增加，最(zui)后終于(yu)在全鉛層的擋路下阻絕(jue)(jue)了錫(xi)份的滲移。

　　(d) IMC的(de)曝露：由于錫(xi)份的(de)流失，造(zao)成焊錫(xi)層的(de)松(song)散不堪(kan)而露出(chu)IMC底層，而終致到達不沾錫(xi)的(de)下場(Non-wetting)。

　　高溫(wen)作業后經長(chang)時老化(hua)的(de)(de)過程中，在Eta-phase良(liang)性IMC與銅(tong)(tong)底材之(zhi)間，又會因銅(tong)(tong)量(liang)的(de)(de)不斷滲入Cu6Sn5中，而逐(zhu)漸使其局部(bu)組成改變為(wei)Cu3Sn的(de)(de)惡性ε-phase(又讀做Epsilon相)。其中銅(tong)(tong)量(liang)將(jiang)由早(zao)先η-phase的(de)(de)40%增加到(dao)ε-phase的(de)(de)66%。此種(zhong)老化(hua)劣化(hua)之(zhi)現象，隨(sui)著時間之(zhi)延長(chang)及溫(wen)度(du)之(zhi)上升而加劇，且溫(wen)度(du)的(de)(de)影響(xiang)尤(you)其強(qiang)烈。由前(qian)述＂表(biao)面能＂的(de)(de)觀點可看出，這種(zhong)含銅(tong)(tong)量(liang)甚高的(de)(de)惡性ε-phase，其表(biao)面能的(de)(de)數字極低(di)，只(zhi)有良(liang)性η-phase的(de)(de)一(yi)半。因而Cu3Sn是一(yi)種(zhong)對焊錫性頗有妨礙的(de)(de)IMC。

　　然而早先(xian)出現的(de)(de)(de)良性η-phase Cu6Sn5， 卻是良好焊(han)錫(xi)(xi)性必須(xu)的(de)(de)(de)條(tiao)件。沒(mei)有這種良性Eta相的(de)(de)(de)存在，就(jiu)(jiu)根(gen)本不可(ke)能完成良好的(de)(de)(de)沾錫(xi)(xi)，也無法正(zheng)確的(de)(de)(de)焊(han)牢(lao)。換言(yan)之(zhi)，必需要在銅面(mian)上(shang)首先(xian)生成Eta-phase的(de)(de)(de)IMC，其(qi)焊(han)點(dian)才有強度。否(fou)則(ze)焊(han)錫(xi)(xi)只是在附(fu)著的(de)(de)(de)狀態下暫時(shi)冷卻固化(hua)在銅面(mian)上(shang)而已，這種焊(han)點(dian)就(jiu)(jiu)如同大(da)樹沒(mei)有根(gen)一(yi)樣，毫無強度可(ke)言(yan)。錫(xi)(xi)銅合金(jin)的(de)(de)(de)兩種IMC在物理結(jie)構(gou)上(shang)也不相同。其(qi)中惡性的(de)(de)(de)ε-phase(Cu3Sn)常呈現柱(zhu)狀結(jie)晶(Columnar Structure)，而良性的(de)(de)(de)η-phase(Cu6Sn5)卻是一(yi)種球(qiu)狀組織(zhi)(Globular)。下圖8此(ci)為一(yi)銅箔上(shang)的(de)(de)(de)焊(han)錫(xi)(xi)經長(chang)時(shi)間老(lao)化(hua)后(hou)，再將其(qi)彎折磨平拋光以及微蝕(shi)后(hou)，這在SEM2500倍下所攝(she)得(de)的(de)(de)(de)微切片(pian)實像(xiang)，兩IMC的(de)(de)(de)組織(zhi)皆清晰(xi)可(ke)見，二(er)者之(zhi)硬度皆在500微硬度單位左(zuo)右。

　　在(zai)(zai)(zai)IMC的(de)增厚過程中，其結晶粒子(Grains)也(ye)會隨(sui)時在(zai)(zai)(zai)變(bian)(bian)化。由于粒度的(de)變(bian)(bian)化變(bian)(bian)形，使(shi)得在(zai)(zai)(zai)切(qie)片(pian)畫面中量(liang)測厚度也(ye)變(bian)(bian)得比較困(kun)難。一(yi)般(ban)切(qie)片(pian)到(dao)達(da)最(zui)后拋光(guang)完成(cheng)后，可(ke)使(shi)用專(zhuan)門的(de)微(wei)蝕(shi)液(NaOH50/gl，加(jia)1，2-Nitrphenol 35ml/l，70℃下操作(zuo))，并(bing)在(zai)(zai)(zai)超聲波協助下，使(shi)其能咬出清晰的(de)IMC層(ceng)次，而看到(dao)各層(ceng)結晶解里(li)面的(de)多(duo)種情況。

　　將造成(cheng)(cheng)縮(suo)錫(xi)(xi)(xi)(xi)或不(bu)(bu)(bu)沾(zhan)錫(xi)(xi)(xi)(xi) 較低只有Eta的(de)(de)(de)一半,非常有趣(qu)的(de)(de)(de)是(shi)(shi)，單純Cu6Sn5的(de)(de)(de)良(liang)性(xing)(xing)IMC，雖(sui)然(ran)分子(zi)是(shi)(shi)完全相同(tong)(tong)，但(dan)當生(sheng)(sheng)長環境(jing)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)時(shi)外觀卻極大(da)的(de)(de)(de)差異。如將清(qing)潔銅(tong)(tong)面熱浸于(yu)熔(rong)融態的(de)(de)(de)純錫(xi)(xi)(xi)(xi)中(zhong)，此種錫(xi)(xi)(xi)(xi)量(liang)(liang)與熱量(liang)(liang)均(jun)極度充足(zu)下，所生(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)Eta良(liang)性(xing)(xing)IMC之(zhi)表(biao)面呈鵝卵石狀。但(dan)若改成(cheng)(cheng)錫(xi)(xi)(xi)(xi)鉛合金(63/37)之(zhi)錫(xi)(xi)(xi)(xi)膏(gao)與熱風再銅(tong)(tong)面上熔(rong)焊(han)時(shi)，亦即(ji)錫(xi)(xi)(xi)(xi)量(liang)(liang)與熱量(liang)(liang)不(bu)(bu)(bu)太(tai)充足(zu)之(zhi)環境(jing)，居然(ran)長出另(ling)一種一短棒狀的(de)(de)(de)IMC外表(biao)(注意銅(tong)(tong)與鉛是(shi)(shi)不(bu)(bu)(bu)會產(chan)生(sheng)(sheng)IMC的(de)(de)(de)，且(qie)兩(liang)者之(zhi)對沾(zhan)錫(xi)(xi)(xi)(xi)(wetting)與散錫(xi)(xi)(xi)(xi)(Spreading)的(de)(de)(de)表(biao)現也截然(ran)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)。再者銅(tong)(tong)錫(xi)(xi)(xi)(xi)之(zhi)IMC層(ceng)一旦遭到(dao)氧化(hua)時(shi)，就(jiu)會變成(cheng)(cheng)一種非常頑強的(de)(de)(de)皮膜(mo)，即(ji)使薄到(dao)5層(ceng)原子(zi)厚(hou)度的(de)(de)(de)1.5nm，再猛的(de)(de)(de)助焊(han)劑也都奈(nai)何不(bu)(bu)(bu)了它。這就(jiu)是(shi)(shi)為什么PTH孔(kong)口錫(xi)(xi)(xi)(xi)薄處不(bu)(bu)(bu)易吃錫(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)原因(C.Lea的(de)(de)(de)名著(zhu)A scientific Guide to SMT之(zhi)P.337有極清(qing)楚(chu)的(de)(de)(de)說(shuo)明(ming))，故知(zhi)焊(han)點之(zhi)主(zhu)體焊(han)錫(xi)(xi)(xi)(xi)層(ceng)必須稍厚(hou)時(shi)，才能(neng)盡量(liang)(liang)保(bao)證焊(han)錫(xi)(xi)(xi)(xi)性(xing)(xing)于(yu)不(bu)(bu)(bu)墜。事實上當＂沾(zhan)錫(xi)(xi)(xi)(xi)＂(Wetting)之(zhi)初，液錫(xi)(xi)(xi)(xi)以很小的(de)(de)(de)接觸角(Contact Angle)高溫中(zhong)迅(xun)速向(xiang)(xiang)外擴張(Spreading)地盤的(de)(de)(de)同(tong)(tong)時(shi)，也另(ling)在地盤內的(de)(de)(de)液錫(xi)(xi)(xi)(xi)和固(gu)銅(tong)(tong)之(zhi)間(jian)產(chan)生(sheng)(sheng)交流(liu)，而向(xiang)(xiang)下扎根生(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)IMC，熱力(li)學方(fang)式之(zhi)步驟，即(ji)在說(shuo)明(ming)其假想動作的(de)(de)(de)細節。

五、錫銅IMC的老化

　　由上(shang)述(shu)可(ke)知錫(xi)銅之間最(zui)先所(suo)形成的(de)(de)良(liang)性η-phase(Cu6Sn5)，已成為良(liang)好(hao)焊接的(de)(de)必(bi)要條件。唯有這IMC的(de)(de)存在才會出現(xian)強(qiang)度(du)好(hao)的(de)(de)焊點。并且也清楚了解(jie)這種良(liang)好(hao)的(de)(de)IMC還會因(yin)銅的(de)(de)不(bu)斷侵入而逐漸(jian)劣化，逐漸(jian)變為不(bu)良(liang)的(de)(de)ε-phase(Cu3Sn)。此兩種IMC所(suo)構成的(de)(de)總厚度(du)將因(yin)溫度(du)上(shang)升而加速長厚，且與時俱增。

　　在(zai)IMC老化過程中(zhong)，原來(lai)(lai)錫(xi)(xi)鉛(qian)層中(zhong)的(de)(de)(de)(de)錫(xi)(xi)份(fen)不(bu)斷(duan)的(de)(de)(de)(de)輸出，用(yong)與(yu)底材銅(tong)共組成(cheng)合(he)金共化物，因而(er)使得(de)原來(lai)(lai)鍍錫(xi)(xi)鉛(qian)或噴(pen)錫(xi)(xi)鉛(qian)層中(zhong)的(de)(de)(de)(de)錫(xi)(xi)份(fen)逐漸減少(shao)，進(jin)而(er)造成(cheng)鉛(qian)份(fen)在(zai)比例上(shang)的(de)(de)(de)(de)不(bu)斷(duan)增加。一(yi)旦當IMC的(de)(de)(de)(de)總厚度成(cheng)長到達整個(ge)錫(xi)(xi)鉛(qian)層的(de)(de)(de)(de)一(yi)半時，其(qi)含錫(xi)(xi)量(liang)也(ye)將(jiang)由原來(lai)(lai)的(de)(de)(de)(de)60%而(er)降到40%，此時其(qi)沾錫(xi)(xi)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)惡化當然就不(bu)言而(er)喻。并由底材銅(tong)份(fen)的(de)(de)(de)(de)無限(xian)量(liang)供應，但表層皮膜中(zhong)的(de)(de)(de)(de)錫(xi)(xi)量(liang)卻(que)愈(yu)(yu)來(lai)(lai)愈(yu)(yu)少(shao)，因而(er)愈(yu)(yu)往后(hou)來(lai)(lai)所形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)IMC，將(jiang)愈(yu)(yu)趨向惡性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)Cu3Sn。

且請務必注意：

一旦環境超過60℃時，即使(shi)新生成的Cu6Sn5也開始(shi)轉變長(chang)出Cu3Sn來。 一旦這種不(bu)(bu)良(liang)的ε-phase成了(le)(le)氣(qi)候，則(ze)焊點(dian)主(zhu)體(ti)中之(zhi)錫(xi)不(bu)(bu)斷往介(jie)面溜走，致使(shi)整個(ge)主(zhu)體(ti)皮膜(mo)(mo)中的鉛(qian)量比例增加，后續的焊接將會(hui)呈現(xian)縮(suo)錫(xi)(Dewetting)的場(chang)面。這種不(bu)(bu)歸路的惡化情形(xing)，又將隨著(zhu)原始(shi)錫(xi)鉛(qian)皮膜(mo)(mo)層(ceng)的厚薄(bo)而有所不(bu)(bu)同，越(yue)薄(bo)者還會(hui)受到空氣(qi)中氧氣(qi)的助虐(nve)，使(shi)得劣化情形(xing)越(yue)快。故為(wei)了(le)(le)免遭此一額外的苦難，一般規范都要求錫(xi)鉛(qian)皮膜(mo)(mo)層(ceng)至少都要在(zai)0.3mil以(yi)上(shang)。

　　老化後的(de)錫(xi)鉛皮膜，除了不良的(de)IMC及(ji)表面能太低，而(er)(er)導致縮錫(xi)的(de)效應(ying)外(wai)，鍍銅層中的(de)雜質如氧化物(wu)、有機光澤劑(ji)等共鍍物(wu)，以及(ji)錫(xi)鉛鍍層中有機物(wu)或其它雜質等，也(ye)都會(hui)朝(chao)向(xiang)IMC處(chu)移動集(ji)中，而(er)(er)使得(de)縮錫(xi)現(xian)象雪(xue)上(shang)加霜更(geng)形惡化。

　　從許多種(zhong)(zhong)前人的試驗及報告文獻中，可(ke)知有三種(zhong)(zhong)加速(su)老(lao)化的模(mo)式，可(ke)以類比(bi)出上述兩種(zhong)(zhong)焊錫性劣化及縮錫現象的試驗如(ru)下︰

　　◎ 在高溫飽(bao)和水蒸(zheng)氣(qi)中(zhong)曝(pu)置1~24小時。

　　◎ 在125~150℃的乾烤箱中放置4~16小時(shi)。

　　◎ 在(zai)(zai)高溫(wen)水蒸氣(qi)(qi)加氧(yang)氣(qi)(qi)的(de)(de)環境中放(fang)置(zhi)1小時(shi)；之(zhi)(zhi)後(hou)僅(jin)在(zai)(zai)水蒸氣(qi)(qi)中放(fang)置(zhi)24小時(shi)；再另於155℃的(de)(de)乾烤箱中放(fang)置(zhi)4小時(shi)；及(ji)在(zai)(zai)40℃，90~95%RH環境中放(fang)置(zhi)10天。如(ru)此之(zhi)(zhi)連續折騰約等(deng)(deng)於1年時(shi)間的(de)(de)自然老化(hua)。 在(zai)(zai)經此等(deng)(deng)高溫(wen)高濕的(de)(de)老化(hua)條(tiao)件下，錫(xi)(xi)鉛(qian)皮(pi)膜表面及(ji)與銅之(zhi)(zhi)介面上會(hui)出現氧(yang)化(hua)、腐蝕，及(ji)錫(xi)(xi)原子耗(hao)失(Depletion)等(deng)(deng)，皆(jie)將(jiang)造成焊錫(xi)(xi)性的(de)(de)劣(lie)化(hua)。

六、錫金IMC

　　焊(han)錫與(yu)金層之(zhi)間的IMC生長(chang)比銅錫合金快(kuai)了很多(duo)，由先后出(chu)現的順(shun)序所(suo)得的分(fen)子式有AuSn，AuSn2，AuSn4等。在150℃中老化(hua)300小時(shi)后，其(qi)IMC居(ju)然可增(zeng)長(chang)到50μm(或2mil)之(zhi)厚。因而鍍(du)金零件腳經過(guo)焊(han)錫之(zhi)后，其(qi)焊(han)點將(jiang)因IMC的生成太快(kuai)，而變的強度減弱脆性增(zeng)大。幸好仍被大量柔軟的焊(han)錫所(suo)包圍，故內中缺點尚不曝露出(chu)來(lai)。又若當(dang)金層很薄時(shi)，例如是把薄金層鍍(du)在銅面(mian)上再去焊(han)錫，則其(qi)焊(han)點強度也很快(kuai)就會變差，其(qi)劣化(hua)程度可由耐疲(pi)勞強度試驗周期(qi)數之(zhi)減少而清楚得知。

曾有人故意以熱壓(ya)(ya)打線(xian)法(fa)(Thermo-Compression，注意所用溫度需低于錫鉛之熔點(dian))將金(jin)線(xian)壓(ya)(ya)入焊錫中(zhong)，于是黃金(jin)就(jiu)開始(shi)向(xiang)四周的(de)(de)焊錫中(zhong)擴(kuo)散，逐漸形成如(ru)圖(tu)中(zhong)白色(se)散開的(de)(de)IMC。該(gai)金(jin)線(xian)原來的(de)(de)直徑為45μm，經155℃中(zhong)老化460小(xiao)時后，竟然完全消耗殆盡，其效(xiao)應(ying)實(shi)在(zai)相(xiang)當驚人。但若將金(jin)層(ceng)鍍在(zai)鎳面上，或在(zai)焊錫中(zhong)故意加(jia)入少許(xu)的(de)(de)銦(yin)，即(ji)可大(da)(da)大(da)(da)減(jian)緩這種黃金(jin)擴(kuo)散速度達5倍之多。

七、錫銀IMC

　　錫(xi)與銀也會迅速(su)(su)的(de)形成(cheng)介面合金(jin)共化物Ag3Sn，使得許多鍍(du)銀的(de)零件腳(jiao)在(zai)焊錫(xi)之后，很(hen)快就會發(fa)生銀份流失(shi)而(er)進入焊錫(xi)之中(zhong)，使得銀腳(jiao)焊點的(de)結構強度(du)迅速(su)(su)惡化，特稱為＂滲銀Silver leaching＂。

此(ci)種焊(han)后可靠性的(de)(de)問(wen)題，曾(ceng)在(zai)(zai)許(xu)多以鈀層(ceng)(ceng)及銀(yin)層(ceng)(ceng)為導體的(de)(de)“＂(Thick Film Technology)中(zhong)(zhong)發生過，SMT中(zhong)(zhong)也不(bu)乏前例。若(ruo)另將錫(xi)鉛共融合金(jin)比(bi)例63/37的(de)(de)焊(han)錫(xi)成(cheng)(cheng)分，予以小幅的(de)(de)改變而加(jia)(jia)入2%的(de)(de)銀(yin)，使成(cheng)(cheng)為62/36/2的(de)(de)比(bi)例時(shi)，即可減輕或避免發生此(ci)一＂滲(shen)銀(yin)＂現象(xiang)，其(qi)焊(han)點不(bu)牢的(de)(de)煩惱也可為之(zhi)舒緩。最(zui)近興起(qi)的(de)(de)銅(tong)墊浸銀(yin)處理(li)(Immersion Silver)，其(qi)有機(ji)銀(yin)層(ceng)(ceng)極薄僅4-6μm而已(yi)，故在(zai)(zai)焊(han)接(jie)的(de)(de)瞬間，銀(yin)很快就熔(rong)入焊(han)錫(xi)主(zhu)體中(zhong)(zhong)，最(zui)后焊(han)點構成(cheng)(cheng)之(zhi)IMC層(ceng)(ceng)仍為銅(tong)錫(xi)的(de)(de)Cu6Sn5，故知銀(yin)層(ceng)(ceng)的(de)(de)功用只是在(zai)(zai)保護(hu)(hu)銅(tong)面而不(bu)被氧化而已(yi)，與有機(ji)護(hu)(hu)銅(tong)劑(ji)(OSP)之(zhi)Enetk極為類似，實際上銀(yin)本身并未參(can)加(jia)(jia)焊(han)接(jie)。

八、錫鎳IMC

　　電子(zi)零件之(zhi)接(jie)(jie)腳為了機械強度起見，常用黃(huang)(huang)銅(tong)代替純銅(tong)當成(cheng)底材。但因黃(huang)(huang)銅(tong)中含有(you)多量(liang)的(de)(de)鋅，對于(yu)焊(han)錫(xi)(xi)性會(hui)有(you)很(hen)大的(de)(de)妨礙，故必(bi)須(xu)先(xian)行鍍鎳當成(cheng)屏障(Barrier)層，才(cai)能完成(cheng)焊(han)接(jie)(jie)的(de)(de)任務。事(shi)實上這只是在(zai)焊(han)接(jie)(jie)的(de)(de)瞬間(jian)(jian)，先(xian)暫時達到消災避禍的(de)(de)目的(de)(de)而已。因不(bu)久(jiu)后鎳與錫(xi)(xi)之(zhi)間(jian)(jian)仍也(ye)會(hui)出(chu)現IMC，對焊(han)點強度還是有(you)不(bu)良的(de)(de)影響(xiang)。

　　在(zai)一(yi)般常溫(wen)下(xia)錫與(yu)鎳所(suo)生成的(de)IMC，其生長速(su)度(du)與(yu)錫銅(tong)IMC相差很有限(xian)。但(dan)在(zai)高(gao)(gao)溫(wen)下(xia)卻(que)比錫銅(tong)合金(jin)要(yao)(yao)慢(man)了很多(duo)，故可當成銅(tong)與(yu)錫或金(jin)之間的(de)阻(zu)隔層(Barrier Layer)。而且當環(huan)境溫(wen)度(du)不同(tong)時，其IMC的(de)外觀及組成也(ye)各不相同(tong)。此(ci)種具脆(cui)性的(de)IMC接近鎳面者(zhe)之分子(zi)視為(wei)Ni3Sn4，接近錫面者(zhe)則甚(shen)為(wei)分歧(qi)難以找出通式，一(yi)般以NiSn3為(wei)代表。根(gen)據一(yi)些實驗(yan)數(shu)據，后(hou)者(zhe)生長的(de)速(su)度(du)約為(wei)前者(zhe)的(de)三倍。又因鎳在(zai)空氣非常容易鈍(dun)化(Passivation)，對焊錫性也(ye)會出現極其不利的(de)影響，故一(yi)般在(zai)鎳外表還要(yao)(yao)鍍一(yi)層純錫，以提高(gao)(gao)焊錫性。若做為(wei)接觸(Contact)導電(dian)用途時，則也(ye)可鍍金(jin)或銀。

九、結論

　　各種(zhong)待焊(han)表面其(qi)焊(han)錫性的(de)(de)劣化(hua)，以及(ji)焊(han)點強度的(de)(de)減弱，都是一(yi)種(zhong)自然現(xian)象。正如同有情世界的(de)(de)生(sheng)老病死及(ji)無(wu)情世界的(de)(de)頹(tui)蝕風化(hua)一(yi)樣均遲(chi)早發生(sheng)，無(wu)法避免。了解發生(sheng)的(de)(de)原因(yin)與過(guo)程之后，若可找(zhao)出(chu)改善之道以延(yan)長其(qi)使用(yong)年限，即為上(shang)(shang)上(shang)(shang)之策矣。