何謂IMC (Intermetallic Compound)?IMC與PCB焊接強度有何關係?

IMC_Intermetallic_component在電路板的組裝焊接過程中,經常會聽到工程師或實驗是的分析報告裡提到IMC這個名詞,那究竟IMC是什麼東西?IMC在PCB焊接的過程當中又扮演了什麼樣的角色?它會影響到焊接的強度嗎?那究竟IMC的厚度應該落在多少才比較合理呢?

下面是工作熊有一次去上了一堂「白蓉生」老師關於PCB焊接強度與IMC的課程之後的心得整理,大師開講真的可以學到不少東西。

1. 何謂IMC?

IMC是【Intermetallic Compound】的英文縮寫簡稱,依據白蓉生老師的說法,中文應該翻譯成【介面金屬共化物】或【介金屬】。

而IMC是一種化學分子式,不是合金,也不是純金屬。

既然IMC是一種化學分子組成,所以IMC的形成必須給予能量,這也就是為何錫膏在焊接過程中需要加熱的原因,而且錫膏的成份中只有純錫(Sn)才會與銅基地(例如OSP, I-Ag, I-Sn表面處理的板子)或是鎳基地(ENIG表面處理的板子)在強熱中發生擴散反應,進而生成牢固的介面性IMC。







2. 【合金(alloy)】與【介面金屬共化物(Intermetallic Compound)】有何差別?

介面金屬化合物是兩種金屬元素以上以「固定比例」所形成的化合物,是一種「化學反應」後的結果,屬於純物質。比如說Cu6Sn5、Ni3Sn4、AuSn4…等這樣的物質。

合金(alloy)則是兩種金屬以上的混合物,其比例並無固定,可以隨時調整,只是均勻的將不同的元素混合在一起就可以了。

所以你可以說男人與女人混在一起稱之為合金;而男女結合後所生下的小孩就稱為化合物。這樣比喻會不會被打啊!

3. 既然稱為【錫膏】,為何還有其他的金屬成份在裡面?

這是因為純錫的融點高達232°C,不易用於一般的PCB板組裝焊接,或者說目前的電子零件都無法達到這樣的高溫,所以必須以錫為主,然後加入其他合金焊料來降低其融點,以達到可以量產並節省能源的主要目的,其次要目的是可以改善焊點的韌度(Toughness)與強度(Strength)。

比如說加入少許的銀與銅作成SAC305,其共熔點就降到217°C。加入銅及鎳作成SCNi,其共熔點就會變成227°C。這是個很有趣的題目,為什麼原本兩個熔點都很高的金屬,以一定比率混在一起之後其共熔點反而會大大降低,有興趣的朋友可以先找錫鉛的二元平衡金相圖來參考一下。

4. 經常看到IMC中有Cu6Sn5、Ni3Sn4、Cu3Sn、AuSn4、Ag3Sn與PdSn4的化學式,請問這些化學式的形成與地點?

PCB-IMC銅基地的表面處理PCB,如OSP(有機保焊膜), I-Ag(浸鍍銀), I-Sn(浸鍍錫), HASL(噴錫)與錫膏的焊接,在高熱的回焊爐中會形成良性IMC的Cu6Sn5,隨著時間的老化,或PCB通過回焊爐過久,就會慢慢再形成劣性IMC的Cu3Sn。

鎳基地的表面處理PCB,如ENIG, ENXG, 與ENEPIG,經過高熱回焊爐與錫膏結合後會生成良性IMC的Ni3Sn4

金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)也會與錫(Sn)形成AuSn4、跟Ag3Sn與PdSn4等化合物,但卻是遊走式的IMC,對焊點的強度是有害而無利,焊墊上的金與銀的最大作用就是保護底鎳與底銅免於生鏽而已,金與銀越厚者,焊點強度就越弱,但是不能薄到無法全面覆蓋住底鎳及底銅,否則就無法保護底鎳或底銅了。

5. 各種IMC的強度為何?

  • 再次提醒,焊接是一種化學反應。
  • 以銅基地的焊墊為例,良好的焊接時會立即生成η-phase (讀Eta)良性的Cu6Sn5,且還會隨著焊接熱量的累積與老化時間而長厚。
  • 焊點在老化的過程中又會在原來的Cu6Sn5上長出惡性ε-phase (讀Epsilon)惡性的 Cu3Sn。總體而言銅基地的焊接強度比鎳基地來得好,可靠度也比較高。
  • 鎳基地的化鎳浸金與電鍍鎳金之金較厚者,其焊點不但IMC較薄且更容易形成金脆,只有在 AuSn4游走後,鎳基地才會形成Ni3Sn4,不過其強度原本就不如Cu6Sn5
命名 分子式 含錫量W% 出現經過 位置所在 顏色 結晶 性能 表面能

η-phase
(Eta)

Cu6Sn5 60% 高溫熔錫沾焊到乾淨的銅面時生成 介於焊錫或純錫之間的介面 白色 球狀組織 良性IMC為焊接強度之必須 甚高

ε-phase
(Epsilon)

Cu3Sn 30% 焊接後經過高溫或長期老化逐漸生成 介於Cu6Sn5與銅面之間 灰色 柱狀結晶 惡性IMC將造成縮錫或不沾錫 較低,只有Eta的一半

6. IMC的厚度是不是越厚越好?

會這麼問表示你沒有讀過書,白老師一直以農夫稱之,但現在高級知識份子當農夫者多得是,所以我個人是很尊敬農夫的,而且我老爸以前也是農夫啊,我小時候還耕過田呢。

白老師一直強調,介面IMC只要有長出來且長得均勻就可以了,因為IMC會隨著時間與熱量的累積而越長越厚,當IMC長得太厚時強度反而就會變差,容易脆裂。這就有點像磚塊與磚塊之間的水泥一樣,適量的水泥可以將不同的磚塊結合在一起,但水泥太厚反而容易被推倒。

IMC的生成速度基本上與時間的平方與溫度成正比。


延伸閱讀:
PCB爆板的真因剖析與防止
零件掉落與鍍金厚度的關係
浸金及電鍍金在電路板焊接中所扮演的角色
SMT與Wave soldering焊錫的中文翻譯與觀念澄清

訪客留言內容(Comments)

這一篇很不錯啊!!!
很多人只知道SMT/PCBA製程,
但不知道什麼是介面合金化合物(IMC,我是這麼稱呼他)
IMC厚度在業界一直沒有真正的規範在
都是靠前人的經驗所累積的經驗,然後提出一個較佳的厚度範圍!!!
非常多的公司並不會去量測這個東西,除非有焊接有異常出現才會去看這個
因為這要用電子顯微鏡(EDS)去看才看的清楚
一般都是真正的Lab才會擁有這種顯微鏡
(如:SGS/宜特…etc <==不是打廣告-.-")

ewew;
讓SMT專家稱讚真的尾椎都要翹來了,
~自己再看了一次發現許多錯字耶~
宜特或SGS我們也常光顧呢!

謝謝熊大的稱讚,專家實在是不敢當~~~
在這個業界待久了,隨著時間的增加自然所看到的也多了
隨著經驗的累積,自然會比剛入行幾年的人知道的多些!!!

上次客户说我的IMC层太薄了,2-4um,我告诉他这是正常的,他说你的标准是什么,我无言以对啊,客大欺主啊!

十日十韦丘山;
標準就是IMC有均勻的生成就可以了。
可以問客戶希望IMC多厚,然後做一片給他自己測試。

大哥 小弟想請問 :

IMC 是只要到高溫區就會形成嗎? 還是說需要一段時間使他生成?

困惑已久 感謝

陳建宏,
其實IMC的形成不只是溫度,而是熱量或功。一般用溫度比較好形容。所以時間也要考慮。另外,溫度的傳遞也是一個要素。

感謝工作雄大大不吝嗇的解答;

小弟還有一個問題: 在鋁pad上的化鍍鎳; 這兩者會因為我把溫度拉高鍵結能力會變好嗎??

陳建宏,
鋁質基板個人沒有研究。


訪客留言注意事項:
1.首次留言須通過審核後內容才會出現在版面上,請不要重覆留言。
2.留言時請在相關主題文章下留言,與主題不相關的留言將會被視為垃圾留言,請善加利用【搜尋框】尋找相關文章,找不到主題時請在「水平選單」的「留言板」留言。
3. 留言前請先用【搜尋框】尋找相關文章,自己做一點功課後再留言。沒有前因後果的內容,工作熊不一定會瞭解你在說什麼,就更無法回答你的問題。
4. 工作熊並非某一方面的專家,所以回答的內容或許會有不正確的地方,服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題,前先參考這篇文章【詢問工程問題,請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問,並且請提供足夠的資訊,這樣才能有效回答問題。
5. 工作熊每則留言都會看,但不會每則留言都回答,尤其是只有問候之類的內容。
6. 留言詢問時請注意您的態度,工作熊不是你的「細漢」,更沒有拿你的薪水,所以不接受吆喝工作熊的態度來回答你的問題。
7. 歡迎您訂閱本部落格的最新文章,當有新文章時會主動以電子郵件通知你。

您有話要說(Leave a comment)

(required)

(required)