现将四种常见含锡的IMC在不同温度下,其生长速度比较在下表的数字中:
表1 各种IMC在不同温度中之生长速度(nm / √s)
金属介面 20℃,100℃,135℃,150℃,170℃
1. 锡 / 金 40
2. 锡 / 银 0.08 17-35
3. 锡 / 镍 0.08 1 5
4. 锡 / 铜 0.26 1.4 3.8 10
[注] 在170℃高温中铜面上,各种含锡合金IMC层的生长速率,也有所不同;如热浸锡铅为5nm/s,雾状纯锡镀层为7.7(以下单位相同),锡铅比30/70的皮膜为11.2,锡铅比70/30的皮膜为12.0,光泽镀纯锡为3.7,其中以最后之光泽镀锡情况较好。
三、焊锡性与表面能
若纯就可被焊接之底金属而言,影响其焊锡性(Solderability)好坏的机理作用甚多,其中要点之一就是"表面自由能"(Surface Free Energy,简称时可省掉Free)的大小。也就是说可焊与否将取决于:
(1) 被焊底金属表面之表面能(Surface Energy),
(2) 焊锡焊料本身的"表面能"等二者而定。
凡底金属之表面能大于焊锡本身之表面能时,则其沾锡性会非常好,反之则沾锡性会变差。也就是说当底金属之表面能减掉焊锡表面能而得到负值时,将出现缩锡(Dewetting),负值愈大则焊锡愈差,甚至造成不沾锡(Non-Wetting)的恶劣地步。
新鲜的铜面在真空中测到的"表面能"约为1265达因/公分,63/37的焊锡加热到共熔点(Eutectic Point 183℃)并在助焊剂的协助,其表面能只得380达因/公分,若将二者焊一起时,其沾锡性将非常良好。然而若将上述新鲜洁净的铜面刻意放在空气中经历2小时后,其表面能将会遽降到25达因/公分,与380相减不但是负值(-355),而且相去甚远,焊锡自然不会好。因此必须要靠强力的助焊剂除去铜面的氧化物,使之再活化及表面能之再次提高,并超过焊锡本身的表面能时,焊锡性才会有良好的成绩。
四、锡铜介面合金共化物的生成与老化
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者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%。若以少量的铜面与多量焊锡遭遇时,只需3-5秒钟其IMC即可成长到平衡状态的原度,如240℃的0.5μm到340℃的0.9μm。然而在此交会互熔的同时,底铜也会有一部份熔进液锡的主体锡池中,形成负面的污染。
(a) 最初状态:当焊锡着落在清洁的铜面上将立即有η-phase Cu6Sn5生成,即图中之(2)部分。
(b) 锡份渗耗期:焊锡层中的锡份会不断的流失而渗向IMC去组新的Cu6Sn5,而同时铜份也会逐渐渗向原有的η-phase层次中而去组成新的Cu3Sn,即图中之(5)。此时焊锡中之锡量将减少,使得铅量在比例上有所增加,若于其外表欲再行焊接时将会发生缩锡。
(c) 多铅之阻绝层:当焊锡层中的锡份不断渗走再去组成更厚的IMC时,逐渐使得本身的含铅比例增加,最后终于在全铅层的挡路下阻绝了锡份的渗移。
(d) IMC的曝露:由于锡份的流失,造成焊锡层的松散不堪而露出IMC底层,而终致到达不沾锡的下场(Non-wetting)。