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1.4 焊接接头界面的金属状态
焊接时，钎料成分向母材金属组织内扩散，同时，母材金属也向钎料中扩散、溶解。这些扩散层作为被焊母材上的润湿层，是由钎料成分中元素原子向母材内部扩散而形成的。其扩散模式随母材和钎料合金特性、母材金属的结晶形式、焊接条件（温度，时间）等的不同而异，如图1.35所示。
图1.35 在焊接中原子的扩散模式
① 固溶体（置换型）：钎料原子置换了母材中的原子位置，如图1.35（a）所示。
② 固溶体（侵入型）：钎料原子侵入母材晶格中，在界面旁形成不规则的钎料原子和母材晶格的混合状态，如图1.35（b）所示。
③ 金属间化合物：它是扩散了的钎料原子和母材原子，按新的结晶格子所具有的原子配列，进行再配列的状态，如图1.35（c）所示。
在焊接界面上形成的均一层（固溶体）或者金属间化合物，随母材和钎料的不同组合而异。一般情况下，多数场合是形成金属间化合物。因此，焊接后的界面存在下述几种不同的组织形式。
● 形成均一的扩散层（固溶体型合金）；
● 形成化合物层（金属间化合物）；
● 形成扩散和化合物混合层。
不同的母材和钎料间所形成的化合物是不同的。因此，归纳起来，在电子工业中所用的主要金属和钎料成分之间，能形成合金层（金属间化合物）的种类，如表1.4所示。
表1.4 焊料和母材间形成的金属间化合物
1.金属间化合物的定义
焊接是依靠在接合界面上生成合金层而形成连接强度的。这种以合金的元素成分按原子量的比例以化学结合的方式结合在一起的物质，叫做金属间化合物。
要得到良好的焊接效果，钎料成分和母材成分必须发生能形成牢固结合的冶金反应，即在界面上生成适当的合金层。（金属间化合物，或称IMC）。因此，在焊接连接界面上，IMC的形成与否或者形成质量好坏，对焊接接头的机械、化学、电气等性能有着关键性的影响。
焊接中IMC的存在，可以在对接头进行金相切片后，在显微镜上来识别，如图1.36所示。
2.金属间化合物的形成条件
焊点在连接两种材料时有两个关键目的：
● 良好的导电性；
● 持久的机械连接强度。
图1.36 界面上生成的IMC
以SnPb钎料为例，当两种被连接的母材金属均为Cu时，要达到持久牢固的机械连接目的，就必须将焊点的温度加热到钎料熔点以上约15℃，时间为2～15s。这时钎料才有可能在焊盘和元器件引脚之间形成一种新的化学物质，而达到持久地将两者牢固地连接起来的目的。
显然金属间化合物的形成过程与温度和时间关系密切，特别是受温度的影响更为明显。图1.37描述了焊点内金属间化合物在生成过程中，在不同的温度作用下，金属间化合物的生成厚度及其对焊点强度的影响。
图1.37 焊接过程中不同的温度段的冶金反应
此时焊点的内部构造如图1.38所示。在电子显微镜下所见到的金属间化合物层（IMC），是由Cu 3 Sn（ε相）和Cu 6 Sn 5 （η相）两种物质组成，如图1.39所示。
图1.38 焊点内部构造
图1.39 金属间化合物层的构成
3.焊接温度对焊点可靠性的影响
Cu与Sn的化学亲合力很强，因此，在焊接界面上Cu和Sn间的金属间化合物生长得很快，在焊接过程中对固相Cu的扩散过程的描述，如图1.40所示。
图1.40 焊接过程中对固相Cu的扩散过程的描述
（1）焊接之前
通常母材金属（元器件引脚）在焊接之前都涂敷有可焊性涂层，如Sn涂层。它们经过了一段贮存期后，由于扩散作用在镀层和母材表面之间的界面上都会不同程度地生成一层η-Cu 6 Sn 5 的IMC层，如图1.40（a）所示。
（2）接触
当两种被连接的母材金属接触在一起时，它们间接触界面中间上是一纯Sn层，如图1.40（b）所示。
（3）加热接合
当将两个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-Cu 3 Sn和η-Cu 6 Sn 5 两种金属间化合物层。贴近Cu表面生成的是ε-Cu 3 Sn，而原来中间的纯Sn层为生成的金属间化合物η-Cu 6 Sn 5 所取代，此时的界面构造如图1.40（c）所示。
（4）金属间化合物加速生长
按连接的可靠性来说，图 1.40（c）的状态是比较理想的。若此时对接合部继续加热，Cu原子将继续快速向界面层中扩散，ε-Cu 3 Sn快速发育，其结果是整个接缝均被ε-Cu 3 Sn填充。由于ε-Cu 3 Sn 金属间化合物是一种硬度高而脆性大的合金相，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。德国ERSA研究所的研究表明，生成的金属间化合物厚度在4μm以下时，对焊点强度影响不大，如表1.5所示。正常时，通常焊接中Cu-Sn合金层的厚度在2～4μm之间。
表1.5 金属间化合物厚度对焊点机械强度的影响
温度对焊点可靠性的影响，是通过金属间化合物的生长状态表现出来的，图1.41所描述的过程可通过金相切片分析得到证实，如图1.41～1.44所示。
图1.41 沿Cu表面横断面上的SME图像
图1.42 焊接界面上SME图像（150℃/10s）
图1.43 焊接界面上SME图像（245℃/60s）
图1.44 焊接后界面横切面的SME图像
据有关资料介绍，纯Sn在265℃液态下与Cu生成的金属间化合物层，一分钟就能达到1.25μm 的厚度。与上相反，如果温度过低，会导致焊点过冷，因而生成的金属间化合物太薄，焊点机械强度不够，形成冷焊点。
由于金属间化合物一般是既硬而脆的。它的形成，是导致焊接接头部的疲劳强度、弯曲强度等机械性能，以及导电性和耐腐蚀性下降的原因。熔融Sn和固体Cu在不同温度下反应形成的合金层的种类和厚度的关系，如图1.45所示。
图1.45 熔融Sn和Cu之间形成的IMC层的种类和厚度
所形成的IMC层包括η相（Cu 6 Sn 5 ）、ε相（Cu 3 Sn）、δ相、γ相（Cu 31 Sn 8 ），由于反应温度的不同而形成的金属间化合物也是不同的。
合金层的成长受扩散现象支配，由于扩散是温度的函数，因此，为了抑制合金层的过分生长，控制好焊接温度不能过高是非常重要的。Cu母材和Sn形成的合金层的金相组织分布，如图1.46所示。
图1.46 固体Cu和熔融Sn形成的金属间化合物
[A：Cu；B：δ相；C：ε相（Cu 3 Sn）；D：η相（Cu 6 Sn 5 ）；E：Sn]
合金层厚度的生长速度一般服从于扩散定律，即一方面和加热时间的平方根成比例，另一方面也随加热温度的上升而随扩散系数的平方根成比例地增加。合金层的厚度W可按下式近似地求得。
式中，D是扩散系数；T是反应时间。
熔融Sn和固体Cu反应形成的合金层的厚度和加热时间的关系，如图1.47示。
图1.47 熔融Sn和Cu之间形成的合金层的厚度和加热时间的关系
由图1.47可以看出它们之间成直线关系。而且，厚度除η相（Cu 6 Sn 5 ）以外，其他的各相的直线斜率大体为0.5，即大致和加热时间的平方根成比例地增加。
合金层不仅是在固体金属和熔融金属之间形成。而且也能在固体金属之间反应形成。即在焊接时即使是生成的合金层合适的良好焊点，如果将其放置在高温环境场合，还会生成新的合金层。
以SnPb系钎料合金焊接的接合部为例，其合金层的生长和环境温度的关系，如图1.48所示。
图1.48 接头部合金层生长受环境温度的影响
合金层的生长通常随钎料中Sn的浓度的增大和环境温度的增高而变厚。
由以上分析可知，即使是很完善的焊接接头，如果是使用在高温环境中，由于其合金层过于发达，导致界面发生破坏和断裂的事故也常有发生。特别是对微小焊接点来说，合金层的增厚会使合金层在焊点中的比例增大，这对焊点的连接可靠性是非常不利的。
随着冷却过程的进行，接合部熔融的钎料到达熔点时便开始凝固，低于熔点便变成固体。这时，熔化金属与固体金属晶格相接触的部分合金会变成新的结晶晶核，并以此核为中心向着易生长的轴向进行固相生长，最后长成树枝状，形成特有的稳定的晶格。
固体金属和熔化合金相接触，在其界面上生成合金的结合情况，如图1.49（a）所示。在熔化金属和固体金属之间，首先以适当的合金状态开始凝固。与此同时，如图1.49（b）所示，在最初形成的凝固核心上，向着尚未凝固的熔化金属方向生长。因此，对于同母材金属结合来说，最初凝固形成的金属的结晶特性，是非常重要的。
图1.49 焊接黄铜时熔化金属的凝固实例
PCB焊接中界面金属间化合物的形成，是随钎料的成分和被焊接基体金属材料（或其表面处理方式）的不同而不同。
① 常用的Sn基钎料合金主要有：
● 有铅的SnPb；
● 无铅的SnAg、SnCu、SnZn、SbAgCu和SnAgBi等。
② 常用的基体金属材料主要有：
● Cu、Fe等及其合金；
● 表涂覆层主要有：Im-Sn、Im-Ag、Ni/Au、Ni/Pd/Au以及OSP。
接头强度是被焊表面之间间隙的函数，对应接头强度最大的最佳间隙约为0.076mm（0.003英寸）。采用该间距时，助焊剂和焊料很容易流入接头，以达到均匀的润湿。当间隔较窄时，容易把空气和助焊剂截留在接头中，从而导致润湿面积减小，并因此而降低接头强度。当间隙较大时，有助于润湿的毛细管作用力较小，而且较厚的焊缝机械强度比较低，并通常接近于焊料合金本身的强度，因此，降低了完全溶解强化的可能性。
Nightingale和Hudson 通过试验研究，归纳出可用于表示接头厚度和钎接温度之间关系的公式。并得出了对应最大接头强度下的接头厚度-钎接温度的平滑曲线。该曲线极近似于双曲线，如图1.50所示。
图1.50 接头强度最高条件下的钎接温度与接头厚度的关系曲线
因而得出了如下的实用公式：
式中，T为钎接温度；t为锡-铅合金的共晶温度；S为接头厚度；K=0.34（由经验求出的常数）。
对于锡-铅共熔成分的焊料来说，K值可能是相同的，而且与被焊材料无关，但可能与所采用的助焊剂有关。低温钎接接头和间隙较小的接头几乎总是具有助焊剂杂质。显然，在较高钎接温度下可采用厚度较小的接头，因为高温下焊料的流动性好，而在较低温度下较黏的焊料不能较好地填充和渗入所要填充的间隙。当温度超出了图1.51 的讨论范围时，则不能再使用此曲线，因为在较低的温度下焊料不易润湿基体金属。而当温度过高时，由于氧化和助焊剂等因素的干扰，也可能得出错误的结论。