◆山水世人出品金属间化合物（IMC）浅析•山水世人◆山水世人出品目录•IMC定义•IMC的特点及应用领域•IMC对焊点的影响•IMC的形成和长大规律•如何适当的控制IMC•保护板镀层中IMC实例•总结◆山水世人出品IMC的定义金属间化合物（i t t lli d）是指金属与金属金属与类•intermetallic compound）是指金属与金属、金属与类金属之间以金属键或共价键形式结合而成的化合物。

在金属间化合物中的原子遵循着某种有序化的排列。

Cu6Sn5、Cu3Sn、CuZn、InSb、等都是金属间化合物GaAs、CdSe等都是金属间化合物，•金属间化合物与一般化合物是有区别的。

首先，金属间化合物的组成常常在一定的范围内变动；其次金属间化合物中各元素的化合价很难确定，而且具有显著的金属键性质。

◆山水世人出品IMC的特点及应用领域•金属间化合物在室温下脆性大，延展性极差，很容易断裂，缺乏实用金属间化合物在室温下脆性大延展性极差很容易断裂缺乏实用价值。

经过50多年的实验研究，人们发现，含有少量类金属元素如硼元素的金属间化合物其室温延展性大大提高，从而拓宽了金属间化合物的应用领域。

与金属及合金材料相比，金属间化合物具有极好的耐高温及耐磨损性能，特别是在一定温度范围内，合金的强度随温度升高而增强，是耐高温及耐高温磨损的新型结构材料。

•除了作为高温结构材料以外，金属间化合物的其他功能也被相继开发，稀土化合物永磁材料、储氢材料、超磁致伸缩材料、功能敏感材料等稀土化合物永磁材料储氢材料超磁致伸缩材料功能敏感材料等也相继开发应用。

•金属间化合物材料的应用，极大地促进了当代高新技术的进步与发展，促进了结构与元器件的微小型化、轻量化、集成化与智能化，促进了促进了结构与元器件的微小型化轻量化集成化与智能化促进了新一代元器件的出现。

金属间化合物这一“高温英雄”最大的用武之地是将会在航空航天领域，如密度小、熔点高、高温性能好的钛铝化合物等具有极诱人的应用前景合物等具有极诱人的应用前景。

◆山水世人出品IMC对焊点的影响•IMC会使焊料的蠕变和疲劳抗力有所提高，块体焊料中弥撒分布的细小会使焊料的蠕变和疲劳抗力有所提高而界面板层状分布的粗大IMC脆性较大，会降低界面的力学完整性，使得界面弱化并引起焊点在IMC与焊料的边界上损伤的萌生和最终破坏。

◆山水世人出品IMC的形成和长大规律•在电子封装焊接和服役过程中，焊料和Cu基板间的交互作用导致了界在电子封装焊接和服役过程中焊料和C面金属间化合物的形成和生长。

•一般认为，焊接过程中IMC般认为，焊接过程中的形成是界面化学反应为主导的机制，服役过程中IMC的演变是元素扩散为主导的机制。

•实际上，这两个阶段的IMC的形貌和生长动力学有十分明显的差别。

◆山水世人出品在焊点形成后S A C /C C S C S IMC 的形成和长大规律•在焊点形成后，SnAgCu/Cu 界面存在Cu 6Sn 5和Cu 3Sn 两种金属间化合物。

如图一所示。

图一◆山水世人出品C S 层位于焊料侧而C S C C S 之间焊IMC 的形成和长大规律•Cu 6Sn 5层位于焊料一侧，而Cu 3Sn 层位于Cu 基板和Cu 6Sn 5之间。

焊接过程中界面处的Cu6Sn5呈扇贝形向液态的焊料中生长，导致IMC 与焊料边界的粗糙形貌。

•一般认为，Cu 6Sn 5与Cu 基板之间的Cu 3Sn 是由于热力学平衡条件的要求而形成的，这层IMC 较薄。

外焊态时还发现有板条状的形成时常还有•除上述两种IMC 外，焊态时还发现有板条状的Ag3Sn 形成，时常还有空洞产生，如图二。

图二◆山水世人出品由于焊料与基板间的存在界面通常被弱化焊点的破坏模式除IMC 的形成和长大规律•IMC 的存在，界面通常被弱化，焊点的破坏模式除取决于载荷特性外，也常与界面IMC 的形貌和尺寸有关。

大多数情况下，焊点的损伤发生在焊料与基板的界面区域，但焊点承受纯剪切载荷时，焊点的破坏主要表现为Cu 6Sn 5层脆性开裂，但焊点承受纯拉伸载荷时，焊点破坏则主要表现为Cu 6Sn 5-SnAgCu 界面的脱层开裂。

图三图四◆山水世人出品S A C 的形成分两个阶段第阶段是焊接过程中C IMC 的形成和长大规律•SnAgCu 界面IMC 的形成分两个阶段，第一阶段是焊接过程中Cu 基板与液态焊料之间形成的IMC ，第二阶段是焊后Cu 基板与固态焊料之间的IMC 。

在焊接过程中C 基板与液态焊料发生冶金接触后固态C •在焊接过程中，Cu 基板与液态焊料发生冶金接触后，固态Cu 便开始向液态焊料中溶解，这样，紧邻Cu 基板的液态焊料中便形成了一层饱和的Cu 。

从理论上讲，但Cu 的溶解达到局部平衡状态时，IMC 便在此形成此形成。

•结合下图五所示的Cu-Sn 二元平衡相图，识别此时形成的IMC 是η相的Cu 6Sn 5◆山水世人出品IMC的形成和长大规律图五Cu-Sn二元合金平衡相图◆山水世人出品C S 的形成消耗了饱和态的液体焊料中的C 起了基板C IMC 的形成和长大规律•Cu 6Sn 5的形成，消耗了饱和态的液体焊料中的Cu ，一起了基板Cu 向液态焊料的进一步溶解。

随着Cu 6Sn 5的结晶和相互连接，在Cu 基板和焊料的界面上形成了一层连续的IMC ，这层连续分布的IMC 阻断了基板Cu 向液态焊料进一步溶解的通路。

•从相图可以看出Sn 和Cu 6Sn 5处于平衡状态，但固态Cu 与Cu 6Sn 5层的界面非稳定界面。

一旦温度足以激活界面非稳定界面。

旦温度足以激活Cu 原子与Sn 原子的反应，在Cu 基板与Cu 6Sn 5层间的界面上便会依赖固相扩散形成ε相的Cu 3Sn 金属间化合物。

（更稳定）◆山水世人出品在焊后的固相状态下C S 的扩散仍继续进行以C C S IMC 的形成和长大规律•在焊后的固相状态下，Cu 和Sn 的扩散仍继续进行，以Cu 通过Cu 3Sn 和Cu 6Sn 5金属间化合物层向焊料中的扩散为主。

但Cu 扩散到并驻留在Cu 3Sn -Cu 6Sn 5界面和Cu 6Sn 5与固态焊料的界面时，并形成了这两类IMC 向焊料的生长。

•由于Cu 和Sn 的扩散是非平衡扩散，从原子水平上来看，因基板Cu 向焊料中扩散而遗留在Cu 基板表面上的原子空位并未由焊料中扩散来的Sn 原子及时占据，便会在Cu 通过Cu 3Sn 界面上形成部分永久空位，这些空位的聚集便形成了Kirkenall （柯肯特尔）空洞。

C C S 界面脱层•空洞的形成和长大会引起Cu-Cu 3Sn 界面脱层。

◆山水世人出品IMC的形成和长大规律•金属间化合物的生产厚度取决于许多因素，如焊料合金和基板的性能，焊料的体积和接点形状，温度，时间等。

在焊接过程中•在焊接过程中，IMC的形成和生长主要由基板和液态焊料界面化学反应和元素的扩散共同决定，目前，仍无工人的可以描述回流焊过程中IMC生长规律的理论和方法。

•在固相情况下，SnSgCu-Cu界面IMC的生产主要由扩散机制决定。

Fick扩散定律被应用于描述这一阶段的IMC生长，IMC厚度随温度和时间的演变有如下规律。

•金属间化合物的厚度：L2=DtL：金属间化合物厚度，D：扩散系数，t：扩散时间•D=D0exp（-Q/RT）•D0是扩散常数（m2·S-1），Q是激活能（J·mol-1），R是Boltzmann常数（8.314 J mol K），T是绝对温度(K)。

8.314J·mol-1·K-1◆山水世人出品如何适当控制IMC焊料与焊盘发生反应在界面处形成定厚度的金属间化合物表明界•焊料与焊盘发生反应在界面处形成一定厚度的金属间化合物，表明界面实现了较好的润湿和连接，但是金属间化合物在低温下较脆，裂纹容易在界面处萌生和扩展，因此该界面层是金属体系失效的潜在因素。

IMC 成为急需解决的首要问题。

因此，如何适当的控制成为急需解决的首要问题•Au/Ni/Cu 三层结构是一种广泛应用在电子封装器件中采用的焊盘结构。

Au 层作为Ni 表面的保护膜，具有良好的导电性能、润湿性能和防腐蚀性能等。

Ni 层由于在钎料中溶解速率很慢，可作为Cu 层的阻隔层以防C S C S 的过量形成止Cu 6Sn 5，Cu 3Sn 等IMC 的过量形成。

•另外，在化学镀Ni 工艺中，镀层中含有一定量的P 元素。

研究发现，在回流焊过程中，P 不会溶入焊料，并且在Ni 层与IMC 层形成由Ni ，P 富集的高应力层的厚度有一定影响但镀层中和Sn 富集的高应力层。

P 的含量对IMC 的厚度有一定影响。

但镀层中P 含量较高时，形成在Ni 层和IMC 之间的富P 层有效的阻止了Ni 参入反应，减少IMC 生成几率，从而降低了IMC 厚度。

◆山水世人出品保护板镀层中IMC实例•选取保护板型号：N90分析其IMC成分及厚度选取保护板型号•测试位置：•1、0201电容焊盘（如图六测试位置1、2）•2、IC焊盘（如图六测试位置3、4）•3、Ni片焊盘（如图六测试位置5）图六◆山水世人出品端头焊锡）保护板镀层中IMC 实例•测试位置1（0201端头焊锡），IMC 成分元素图七表一◆山水世人出品保护板镀层中IMC实例•测试位置1，IMC厚度图八◆山水世人出品保护板镀层中IMC实例•测试位置3（IC管脚焊锡）IMC厚度图九表二◆山水世人出品保护板镀层中IMC实例•测试位置3（IC管脚焊锡）IMC厚度图十◆山水世人出品保护板镀层中IMC实例•测试位置5，Ni片焊锡IMC成分图十图十一表三◆山水世人出品保护板镀层中IMC实例•测试位置5，Ni片焊锡IMC成分图十二◆山水世人出品保护板镀层中IMC实例•汇总（表一、表二，表三）三个位置焊盘IMC成分，基本上都是Ni，Cu，Sn，在Ni片焊盘下，由于焊盘面积大，锡膏中少量银也溶入参与金属间化合物的形成。

IMC成分IMC厚度•另外，从焊盘整体IMC形貌来看，IMC呈弥散分布，并没有形成连续的层且其平均厚度不大，不会给焊点带来不稳定的影响。

◆山水世人出品总结•IMC）广泛应用于工业生产，尤其是新材料领域，具金属间化合物（）广泛应用于工业生产尤其是新材料领域具有极诱人的应用前景。

但是，在电子封装及新一代微电子产品的发展趋势上，实验和研究表明，在SnAgCu系焊料合金与基板间的焊接中，块体焊料中弥撒分布较薄的IMC层是一种良好的焊接键合材料，但是随着在服役过程中IMC过度生长导致界面的弱化甚至焊点失效。

目前，尽管对g界面生长的机理从理论有定的认识，但是SnAgCu-Cu IMC生长的机理从理论上有一定的认识，但是对IMC生长形貌及其对破坏行为的影响还缺乏定量表征的合适参量，没有建立起预测SnAgCu-Cu界面IMC形成和生长的科学方法。