当连接部受到外力作用时,界面的高强度应力集中最易发生在凸凹的界面处,而不会在平坦的界面上形成。由图4可以清楚地看到,在主要断裂处的后面,还有许多微细的断裂发生在呈半岛状凸出的Cu6Sn5的根部。因此,对接合部的抗拉试验,必然是Cu6Sn5被破坏。
图4
在实际的基板上,由热疲劳等而引发的龟裂,与由钎料圆角、引线、基板上的图形,以及部件的材质和形状等所引发的应力集中的情况是不同的。因此,所有发生在界面上龟裂的原因,多数场合是由于在界面形成了不良的合金层所致。η-Cu6Sn5层有三种形貌,即:
●界面粗糙的胞状层:在俯视图中其形状与圆柱状晶粒相似,但横截面表现为树枝晶,树枝间有大量空隙。故这种IMC层不致密,与焊料接触界面粗糙,如图5所示。
图5
●扇贝状界面的致密层:在俯视图中这种形状类似胞状晶粒的,但IMC层是致密的。与焊料接触的界面类似于扇贝状,如图6所示。
图6
●平直界面的致密层:当Pb含量、温度和反应时间增加时,η层的形貌逐渐从粗糙的胞状层向扇贝状的致密层转变。ε层总是致密的且界面接近平直。快的冷却速率产生平直的Cu6Sn5层,慢的冷却速率出现小瘤状的Cu6Sn5形貌。再流时间对IMC形貌也有影响,时间短产生平直的η相形貌,时间长则更多产生小瘤状的或扇贝状的η相。而ε层与再流时间无关,它总是平直地生长。因此,当将两种接触的母材金属加热使Sn熔融时,由于温度的作用,在两母材金属表面将发生明显的冶金反应而使两母材金属连接起来。此时在两母材表面之间的接缝中将同时存在ε-Cu3Sn和η-Cu6Sn5两种金属间化合物层。贴近Cu表面生成的是ε-Cu3Sn,而原来中间的纯Sn层为生成的η-Cu6Sn5相所取代,此时的界面构造如图2(c)所示。4.加速生长在等温凝固的最初阶段,Cu6Sn5和Cu3Sn相的生长,是以Cu6Sn5的生长为主。当所有可反应的Sn都消耗完后,Cu3Sn相的生长通过消耗掉Cu和Cu6Sn5进行反应,最后,接合层就仅由Cu3Sn构成了。按连接的可靠性来说,图2(c)所示的状态是比较理想的。若此时对接合部继续加热,ε-Cu3Sn快速发育,其结果是整个接缝均被ε-Cu3Sn填充。由于ε-Cu3Sn金属间化合物是一种硬度更高而脆性更大的合金相,如果温度过高,生成的金属间化合物太厚,焊点的机械强度就会降低。