四、IMC微组织结构对焊点可靠性的影响
IMC形成质量对焊接接合部可靠性的影响主要表现在下述几个方面。1.Pb偏析有学者在研究了界面显微组织在裂纹生长中的影响时指出：沿钎料界面的疲劳裂纹的生长速率与释放的应力与老化时间有关。在长时间的高温老化，如在140℃下老化7～30天，由于在界面附近钎料中的Sn与母材金属Cu进行冶金反应形成Cu-Sn金属间化合物过程中消耗了Sn，因而在紧挨界面IMC形成了一个连续的富Pb相区域而造成Pb偏析（见图11），从而提供了疲劳裂纹易于扩展的途径。
图11 Pb偏析
2.片状Ag3Sn当ASC387-BGA钎料球以较慢的速度（0.02℃/s）凝固时，大片状的Ag3Sn会贯穿整个钎料，如图12所示。在靠近Cu6Sn5的IMC层处可观察到有大的片状Ag3Sn颗粒，有人研究疲劳裂纹伸展的途径时发现，裂纹正是沿着Ag3Sn/IMC相的界面扩展的。显然，大片状的Ag3Sn会对焊点延展性和抗疲劳造成不利影响。
图12 大片状的Ag3Sn
大片状的Ag3Sn的形成取决于：●Ag的浓度：高浓度Ag有利于Ag3Sn的形成，故Ag的含量最好低于3wt%。●冷却速率：Ag3Sn的生长需要液相中的Ag和Sn原子的长程扩散，相对较慢的冷却速率会赋予Ag3Sn生长的时间更长。因此，对BGA焊点的冷却速率应大于1℃/s或2℃/s。在SMT再流炉中，冷却速率一般在50～201℃/min之间。因此，大片状的Ag3Sn在焊点中并不常见。但在大元器件或厚基板中，会出现这种风险。●Cu的含量：焊点中的Cu含量会促进大片状Ag3Sn的生成。在SAC387等钎料中，Ag3Sn的含量百分比随Cu含量的增加而增大。也有报导，在Cu溶解到钎料的地方，出现邻近Cu基板处Ag3Sn的形成，以及大片状Ag3Sn在靠近Cu/钎料界面处的形成。然而，在此情况下IMC层却仍然由Cu6Sn5和Cu3Sn两种金属间化合物构成，如图13所示。
图13 SnAgCu和Cu的IMC层构成
3.柯肯多尔（Kirkendall）空洞有试验表明，随着焊点老化时间的增加，空洞在Cu3Sn相中形成。SnAg和SnPbAg焊点的剪切强度均随老化时间的增加而降低。老化初始时刻是发生在钎料和IMC中混合断裂，而老化达1 000h后就完全在IMC层中断裂。Cu3Sn层中空洞的形成与Cu基板制造工艺有关，有学者研究表明，如SnAg共晶钎料在电镀Cu上于190℃老化3天后可观察到空洞，而对轧制的Cu箔上在相同温度下老化12天，在ε相和η相中均未发现空洞。在Cu3Sn的形成过程中，Sn和Cu不同的扩散速率使其物质迁移不平衡，导致了空位或微小的柯肯多尔空洞的形成，电镀过程中带入的氢会加速这种空位或空洞的形成。在BGA近似共晶的SAC钎料球和Cu焊盘上的焊点界面在100℃、125℃、150℃和175℃下等温老化3天、10天、20天和40天，进行跌落和剪切试验时，在Cu-Cu3Sn间的界面观察到了柯肯多尔空洞。在125℃老化3天后空洞占整个焊接界面的25%。柯肯多尔空洞随老化温度和时间的增加而增加。例如，125℃下老化10天的跌落试验性能比未老化的性能降低了80%。在无电解镀Ni-P合金的情况下，从镀层Ni向钎料侧由扩散过程形成了Ni3Sn4和薄的Ni3SnP。由于在与Sn的反应中消耗了Ni，多余的P就积累在Ni/IMC界面，而导致了富P层（Ni3P+Sn）的出现。在Ni3Sn4和富P的Ni层界面上由于Sn扩散进入IMC层后，在IMC层上的钎料里就容易出现柯肯多尔空洞，如图14所示。
图14 镀Ni和Sn合金界面的模型
根据樊融融编著的现代电子装联工艺可靠性改编