錫對銅的焊接，其介面間必須先要生成Cu6Sn5的良性IMC，才算沾錫(Wetting)與形成焊點(Solder Joint)，也才宣告完成牢固的焊接(Soldering)。否則只是不堪一擊的冷焊(Cold Soldering)或虛焊假焊而已。機械式的振動試驗與摔落試驗，正是檢查其等是否“焊牢”的立即手段。而長期之溫度循環(huán)試驗，則又是針對已焊牢的狀況下，繼續(xù)考驗其焊點之可靠度(Reliability)如何。讀者們必須瞭解，IMC才真正是焊接或焊點的基礎，通常只憑外觀實做與大量品檢之現(xiàn)場經(jīng)驗，或一廂情愿以訛傳訛積非成是而又漠視科學真理者，均屬白蓮教徒類半桶水式的專家。
此為銅底鍍純錫后，其介面間常溫所自然生長Cu6Sn5的I MC，與高溫加速生長較厚之IMC，其側視與俯視之對應情形。后者系將純錫層剝蝕掉，但卻留下頑強I MC h,~精采突起的畫面

圖1、此為銅底鍍純錫后，其介面間常溫所自然生長Cu6Sn5的IMC，與高溫加速生長較厚之IMC，其側視與俯視之對應情形。后者系將純錫層剝蝕掉，但卻留下頑強IMC的精采突起的畫面
此為EN I G表面處理的焊墊，經(jīng)Sn63／Pb3 7焊接后所長出N i 3Sn4的I MC。左圖為400倍右圖為2000倍，因系經(jīng)S EM所攝影故只能以黑白晝面呈現(xiàn)

圖2、此為ENIG表面處理的焊墊，經(jīng)Sn63／Pb37焊接后所長出Ni3Sn4的IMC。左圖為400倍右圖為2000倍，因系經(jīng)SEM所攝影故只能以黑白晝面呈現(xiàn)
為了進一步認知無鉛焊接的IMC，與透析無鉛或高錫量焊接所引發(fā)的錫須，特大量閱讀極多最新文獻，并小心實做微切片下，整理成本文以分享給廣大的業(yè)者與讀者。
有鉛焊接時，真正參與介面之間焊點結合者，只有錫金屬本身而已，鉛的角色與功用容后再述。如今無鉛時代即將到來，主流之錫銀銅合金〈ASC305或SAC405〉焊料，或其他各種各樣的無鉛焊料，其中能夠參加介面結合者，仍然只有錫而已。換句話說球隊中能夠射門或投籃者，永遠都只是錫金屬而已。其他雖然都是配角， 但其等重要性與必要性卻不容忽現(xiàn)。
此為無鉛錫膏(S nAg 3.8C u 0.7)焊在銅面上，經(jīng)微切片拋光與微蝕后所看到三種不同的I MC；即介面I MC (C u6S n5)，針狀IMC(A g3S n)與枝椏間C u6S n5的IMC

圖3、此為無鉛錫膏(SnAg3.8Cu0.7)焊在銅面上，經(jīng)微切片拋光與微蝕后所看到三種不同的IMC；即介面IMC(Cu6Sn5)，針狀IMC(Ag3Sn)與枝椏間Cu6Sn5的IMC。
左圖為Auger電子顯微鏡所見到純錫凸塊承墊(UBM)的銅面上，經(jīng)熔焊沾錫所呈現(xiàn)的剖面圖  (藍色是銅，紅色是錫，中間粉色者即為C u 6S n：的I MC)o右圖系將原切樣再經(jīng)歐杰式電子顯微鏡內(nèi)部之氬氣濺射后，所見到三種不同組成的清晰畫面

圖4、左圖為Auger電子顯微鏡所見到純錫凸塊承墊(UBM)的銅面上，經(jīng)熔焊沾錫所呈現(xiàn)的剖面圖  (藍色是銅，紅色是錫，中間粉色者即為Cu6Sn5的IMC)o右圖系將原切樣再經(jīng)歐杰式電子顯微鏡內(nèi)部之氬氣濺射后，所見到三種不同組成的清晰畫面
一、介面良性的IMC
可與錫金屬構成焊點介面結合者，電子工業(yè)中也只用到銅(C u)與鎳(N i)做為焊點的基地而已。也就是高溫中在銅面上瞬間反應，化合成為六銅五錫的化合物，Cu6Sn5， eta phase，或在鎳面上形成三鎳四錫之另一種化合物，唯有如此方可完成沾錫與焊牢。至有關PCB承接的焊墊(含孔環(huán)孔壁)，其等表面處理諸如噴錫，OSP、I-Ag、I-Sn等，都是以Cu6Sn5的IMC所焊牢。至于ENIG或電鍍鎳金，則是在鎳面上長出另一種焊點；通常銅面IMC之成長速度與強度，都超過鎳面IMC o此等良性的IMC是焊接的先決條件，未能形成IMC者就根本沒焊牢。無法生成良性IMC的原因很多，如：
1．銅面或鎳面遭到較嚴重的污染，連助焊劑也清除不掉。
2．熱量不足無法完成IMC的化合反應.
3．無鉛焊接時遭到少量的鉛污染或鉍含量，高溫中此二雜質會迅速栘往銅面與鎳面，進而阻止了IMC的生成反應。
以上種種結合力付之闕如的焊接，經(jīng)常被稱為冶焊、虛焊，或假焊。

圖5、為200℃下銅面生長的eta-IMC，于不同時間點長厚長大而經(jīng)SEM的掃視圖。
為200℃下銅面生長的eta-IMC，于不同時間點長厚長大而經(jīng)SEM的掃視圖

圖6、此為刻意將鎳面與銅面，以無鉛錫膏在250℃下所分別熔焊10秒、30秒，與1分鐘后，再經(jīng)切片微蝕后採SEM放大1500倍而見到鎳面IMC的變化，與銅面IMC不斷長厚的對比情形。
二、老化后介面間的惡性IMC
上述IMC之所以形成，說穿了就是清潔的固體銅與固體鎳的表面，在高溫中迅速遷移(Migration)參與到液態(tài)的錫金屬中去，也可說是溶化到液錫中。冷卻固化后其介面即已形成了良性的IMC ，彼此也就強力的結合而焊牢了 。
然而完成焊接的后續(xù)日子裡，固體銅與固體錫之間的相互遷移并未停止，其中銅的移動速率比錫要快〈比鎳溶在液錫中的速率要快40倍以上，也就是老化或劣化的較快），致使長時間放置后，在原本的Cu6Sn5與底銅之間，又逐漸長出了一種惡性IMC的Cu3Sn。一旦如此則銲點強度將逐漸弱化，其老化與衰敗也正如同生物的老病與死亡一樣，是無法阻止的自然法則；且在高溫環(huán)境中還會加速老化的進行。
此為銅面Cu6Sn5的eta-IMC，分別在室溫與5 5℃中，經(jīng)歷長時間老化所長厚的趨勢圖。

圖7、此為銅面Cu6Sn5的eta-IMC，分別在室溫與5 5℃中，經(jīng)歷長時間老化所長厚的趨勢圖。
此為BGA無鉛球腳採無鉛錫膏在銅墊上完成焊接，又刻意在150℃高溫放置32天后之微切片畫面。此時Eta-IMC與底銅之間已長出清晰可見的Cu6Sn5惡性Epsilon IMC。此等過度老化之銲點實際上已經(jīng)非常脆弱了

圖8、此為BGA無鉛球腳採無鉛錫膏在銅墊上完成焊接，又刻意在150℃高溫放置32天后之微切片畫面。此時Eta-IMC與底銅之間已長出清晰可見的Cu6Sn5惡性Epsilon IMC。此等過度老化之銲點實際上已經(jīng)非常脆弱了。
三、焊點中的Dendrite IMC
介面間的IMC是良性焊接的必要條件，但銲點中枝椏狀四分五裂的IMC，卻是對焊接強度有害的癌細胞。介面間必須產(chǎn)生良性的IMC，才能完成可靠的焊接，故知介面中的IMC是件絕對必要的好事。然而一旦銲點中也出現(xiàn)了零星分散式的1^10：而造成不均相的分佈者，則對銲點強度而言那就大大的不妙了 。從各種老化試驗以及銲點開裂的分析可知，都是肇始于銲點中不該有的IMC。此種不均相的枝晶，由于其CTE與均相銲料者頗有差異， 長期熱脹冷縮中，不免會與週遭均相銲料步調(diào)不同發(fā)生捍格，進而由初始的微裂， 逐漸發(fā)展成分崩離析的開口大裂。
此三圖均為SAC無鉛焊點冷焊料都會發(fā)生非均質結構式卻后所出現(xiàn)的微裂情形

圖9、此三圖均為SAC無鉛焊點冷焊料都會發(fā)生非均質結構式卻后所出現(xiàn)的微裂情形，不管是熔焊或波焊只要是LF銲料都會發(fā)生非均質結構式的的微裂，只有在焊后瞬間迅速降溫(5—6℃／sec)擾亂其晶出固化過程下，才可能減少一些微裂的瑕疵。
已延用多年的有鉛焊接，其焊料中選擇鉛金屬做為伙伴，做為稀釋劑，做為合金，在工程技術方面都是絕對明智的選擇。因為鉛不會與錫形成IMC，又可以任何比例很容易與錫組成合金  ，所以不會削弱焊點強度，也不致造成后患。不幸的是在無鉛的SAC中，不但銅會與錫在焊點中生成針狀的IMC，銀也會與錫形成窄條而四處亂射的IMC，二者老化中均不免大扯強度的后腿。
有鉛焊接以波焊為例，一旦焊料中的銅污染(來自PCB的焊墊與零件腳)超過重量比1％時，焊點切片中即可見到如箭一般射出的Cu6Sn5枝晶。SAC 305冷卻后的焊點，不但組織非常粗糙，而且拋光截面上微蝕后，還一定會見到三銀一錫長條狀的白色IMC(Ag3Sn)。黃金溶人液錫的速率則更快(是鎳的1150倍)，常以AuSn、AuSn2或AuSn4等結合方式出現(xiàn)，只是其DendriteS較小不太明顯而已，一旦重量比超過3％時，其焊點還會出現(xiàn)容易開裂的“金脆”。
此三圖分別為S n A g與S A C兩種L F焊料，在焊點內(nèi)所出現(xiàn)板狀條狀的Ag3Sn不良Dendrite式IMC，對長期可靠度會有不良的影響

圖10、此三圖分別為SnAg與SAC兩種LF焊料，在焊點內(nèi)所出現(xiàn)板狀條狀的Ag3Sn不良Dendrite式IMC，對長期可靠度會有不良的影響。
此為最常見錫與鉛兩相合金的“金相平衡圖”

圖11、此為最常見錫與鉛兩相合金的“金相平衡圖”，其中的Sn63／Pb37正是夢寐以求的共晶組成，也正是熔點最低最理想的均質焊料，其固化與液化過程并未通過漿態(tài)，是不易開裂的最佳合金。