钨灯丝电镜应用 | 印制电路板中的IMC层分析

2022-05-13 22:15:32, 刘跃辉北京欧波同光学技术有限公司

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IMC是Intermetallic compound 的缩写，译为"介面合金共化物"。广义上说是指某些金属相互紧密接触之介面间，会产生一种原子迁移互动的行为，组成一层类似合金的"化合物"，并可写出分子式。在焊接领域的狭义上是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物。其中尤以铜锡间之良性Cu6Sn5(Eta Phase)及恶性Cu3Sn(Epsilon Phase)最为常见，对焊锡性及焊点可靠度(即焊点强度)两者影响最大。

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钨灯丝电镜分析

用大型钨灯丝电镜Axia来看PCB版上的典型IMC层（如图1所示）。可以看到他的IMC层大约是2微米。这个厚度是比较好的IMC层厚度。由于Axia电镜有着独有的实时元素分析，可以瞬间完成元素分析。这样就可以轻易得到一个可以直观显示IMC分层的元素分布（如图2）。接下来，把倍数提高一些，得到5000倍的SEM图片。基于Axia卓越的分辨率，可以发现IMC层下部有着明显的恶性Cu3Sn(Epsilon Phase)层（如图3）。

图1 PCB版上的典型IMC层

图2 Axia ChemiSEM实时元素分析

图3 铜锡间之良性Cu6Sn5(Eta Phase)及恶性Cu3Sn(Epsilon Phase)

此类物质其老化程度受到锡原子与底金属原子互相渗入的多少，而又可分出好几道层次来。这种由焊锡与其被焊金属界面之间所形成的各种共合物，统称IMC (如图4/图5) 。

图4 锡原子与底金属原子渗入分层

图5 锡原子与底金属原子渗入分层

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IMC层形成过程

再看看IMC层形成过程。当熔融态的焊锡落在洁铜面的瞬间，将会立即发生沾锡(Wetting俗称吃锡)的焊接动作。此时也立即会有锡原子扩散(Diffuse)到铜层中去，而铜原子也同时会扩散进入焊锡中，二者在交接口上形成良性且必须是Cu6Sn5的IMC，称为η-phase(读做Eta相)，此种新生”准化合物”中含锡之重量比约占60%。

一起看看Axia能谱的结果吧（如图6）。它的质量百分比是55.1%,真的和理论上的相差无几呢。