金屬間化合物，即Intemetallic Compound,縮寫(xiě)為IMC,我們通常把SMT加工廠(chǎng)的焊料與被焊金屬界面上反應生成的IMC作為良好焊點(diǎn)的一個(gè)標志。

在各種SMT加工廠(chǎng)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(cháng)，量很少的Cu和Ni也會(huì )參加IMC的結構。

SMT加工廠(chǎng)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(jiàn)的界面反應與IMC形貌如下。

1)Sn與Cu界面反應

Sn-Pb、SAC、Sn-Cu焊料與OSP、Im-Ag、Im-Sn及HASL的界面反應一一樣，本質(zhì)都是Sn與Cu的界面反應。

在200~ 350ºC范圍內,Sn與Cu界面反應總會(huì )形成Cu₆Sn₅ 、Cu₃Sn的雙層結構，如圖1-41所示。在240~ 330ºC范圍內，Cu₆Sn₅ 和Cu₃Sn同時(shí)生長(cháng)，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(cháng)快得多。另外，在再SMT加工廠(chǎng)的流焊接過(guò)程中，Cu₆Sn₅以扇貝形態(tài)生長(cháng)，  晶粒粗化過(guò)程和擴散過(guò)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≤ 1000，-一般看不到。一般認為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(chǎng)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

SMT加工廠(chǎng)的Sn-Pb焊料與ENIG的界面反應屬于Sn與Ni的界面反應。由于Ni比較穩定，界面反應層與Cu相比一般薄得多。根據相圖推測的反應結構為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(guān)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(chǎng)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

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

N與SAC反應，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(guò)多次再流焊接，就會(huì )形成(Ni，Cu）₃sn₄與(Ca，Ni）₆sn₅的雙層的IMC結構，這種結構的切片圖形貌具有顯著(zhù)著(zhù)特點(diǎn)，是薄的、連續的、灰白色的(Ni,Cu)₃Sn₄與獨立塊狀(  (即不連續)、暗灰色的(Cu, Ni)₆Sns,如圖1-58所示。許多案例表明，這種結構的焊點(diǎn)強度比較低，不耐沖擊。

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

多次或長(cháng)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(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，作者用它來(lái)描述（切片圖呈現的形貌）一種超厚、超寬且有斷續的IMC形態(tài)——扇貝形IMC組織粗大（W、h≥5μm）、連續層非常薄甚至個(gè)別地方斷開(kāi)（切片圖，放大倍數≥1000），如圖1-47所示。

圖1-48所示為高溫長(cháng)時(shí)間再流焊接形成的焊點(diǎn)切片圖，呈典型的塊狀化IMC結構。其BGA為SAC焊球、OSP焊盤(pán)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。測試表明其剪切強度比正常焊點(diǎn)低20%以上。

正常的IMC形貌應有比較厚的連續層，且扇貝形IMC是長(cháng)在連續層以上的，是焊料周中Cu擴散的結果，如圖1-49所示。

在Ni/SAC界面，如果再流焊接時(shí)間比較長(cháng)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(lái)源于BGA掉落的樣品，因此看不到BGA載板焊盤(pán)。

圖1-50中的IMC組織并不相大，但符合塊狀化的特征。此類(lèi)形貌的IMC不耐機械應力作用，如果SMT加工廠(chǎng)的pcba在生產(chǎn)周轉、運輸過(guò)程中不規范，很容易導致BGA類(lèi)應力敏感元器件焊點(diǎn)的開(kāi)裂。

塊狀IMC的形成機理還不清楚，可能是IMC高溫熔解再結晶的結果，這可以解釋連續層比較薄、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(lái)源于某早期失效單板上的QFN切片分析報告。由于焊縫中富Pb相組織的存在，降低了焊縫強度，導致早起失效。

(3) SMT加工廠(chǎng)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(zhù)Ag含量的增加，達到3.5%以上，則Ag₃Sn晶粒會(huì )出現粗化，以致出現針狀（切片圖中的表現，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龜裂。

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

(4) Cu對IMC的影響

隨著(zhù)Cu含量的增加，界面IMC結構也發(fā)生變化，如圖1-53所示。