為什麼IMC已經形成有效焊接但零件掉落還是發生IMC層斷裂之觀念澄清

為什麼IMC已經形成有效焊接但零件掉落還是發生IMC層斷裂之觀念澄清

工作熊在這個部落格內已經有多篇文章探討關於「電子零件掉落」的原因與分析了,文章中也一直都有提到說大部分電子零件掉落時破裂的位置幾乎都落在IMC(Intermetallic Compound)的位置,這表示當零件被焊接在電路板後其整體結構包含零件與電路板最脆弱的地方為IMC層,所以才會從IMC的位置斷裂,可是,也幾乎所有的文章都指出必須要在錫膏與零件焊腳及錫膏與電路板的金屬之間形成IMC才算是有效焊接,其焊錫強度才能被確保。

相信很多朋友讀到這裡都會開始產生疑問,IMC生成不就表示焊接強度是良好的,那為何焊接後如果發生斷裂,斷裂的位置又幾乎都發生在IMC層的地方呢?這不是互相矛盾了嗎?

其實這樣的理解一點也不矛盾,工作熊在這裡就試著列出大多數朋友會有的疑問來加以解答好了,如果有不同意見的朋友歡迎舉手:

Q1、當焊錫形成了IMC,就表示焊接有效確認,其焊接強度高的原因是因為IMC的強度高,那為何作焊點的推拉測試時還是從IMC的地方斷裂,而不是從圖片中「零件焊腳」或是「焊錫」的中間處斷裂呢?

A1、首先,在電子零件在焊接過程中形成IMC (Intermetallic Compound)絕對是確認焊接良好與焊接強度的要件之一,不過可能許多人都誤解了,所謂的「有效焊接」是指焊接有無良好,但並不能保證其所能承受的破壞推拉力就一定強過原來被焊接的兩端之結構。

還是用水泥與磚頭砌牆來表示說明好了,用磚頭來代表電路板的焊墊與零件焊腳的金屬鍍層,而水泥就相當於IMC,因為IMC起到連接焊墊與焊腳的作用。

當兩塊磚頭的中間用水泥連接完成後並接受外力而產生破裂時,最先破裂的地方通常是水泥面而不是磚頭吧,但這時你並不會因此就質疑說我明明磚塊中間已經塗有水泥了,為何還是從水泥的地方破裂。

所以,在電路板的焊接過程中形成IMC越好表示焊接強度越高,指的是有效焊接,IMC可以承受較高的推拉力。

可是這與零件因外力而致破裂時怎麼總是從IMC破裂?又是另外一回事了,焊點破裂總是尋找最脆弱的地方可以,就像堤防潰堤也總是從最脆弱的地方開始一樣。

零件焊點破裂在何處就得遭受外力時焊點上的每個地方所能承受的最大力來決定了。因為IMC為金屬共化物,也就是兩種以上的金屬結合而成的生成物,其所能承受的剪應力,一般會比純金屬來得脆弱,所以才會有焊點出現斷裂時幾乎都是在IMC層。這就像一個男生與一個女生中間拉著一個小孩,小孩總是最脆弱的一環類似的道理。

還是不懂,參考這篇【PCB焊接強度與IMC觀念】吧!

Q2、我們常常做推拉力實驗,零件被推掉後,大多能看到斷裂面為一層白色​​,大家都說這層白色物質就是IMC,那IMC都產生在哪裡?

A2、請參考文章最上面的圖示,其實圖片中的A與B的地方都會形成IMC,另外焊錫內也會有少許的IMC存在,只是因為焊錫中絕大部分的成份是「錫」,所以既使有IMC形成混雜在其間也會被稀釋掉不容易察覺,不過如果仔細觀察還是可以看得到AuSn4(圓點狀)與Ag3Sn(長條狀)這類會游走的IMC。

至於在A及B的地方則視表面處理為何種材質而會有不同的IMC形成,如果是「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)與錫膏的焊接後大體會形成Cu6Sn5的IMC,如果是「鎳」基地的表面處理PCB,如ENIG、ENXG與ENEPIG,則會生成Ni3Sn4的良性IMC。

其他不同的的金屬與錫結合後會各自生成不一樣的IMC。

Q3、一般正常推拉力實驗,焊點一般都是在圖示中A、B的的那一處IMC斷裂呢?

A3、這個問題還是回到整個焊點中的各部位所能承受的應力來說明。就如同A2中的回答,IMC的地方一般是整個焊點中最脆弱的地方,不過焊點中的IMC至少會有兩處以上,到底A、B兩處IMC的那一端比較容易斷?

先甲設施力一定,沒有其他的干擾因素下,這個就要看所形成的是何種IMC來決定了,一般來說「銅」基地所形成的IMC強度會比「鎳」基地所形成的IMC來得強。

所以,如果是一個銅底鍍鎳後再鍍錫的零件焊腳焊接在ENIG表面處理(「鎳」基地)的板子上,那麼應該會從B的位置斷裂。

如果是一個銅底鍍鎳的零件焊腳焊接在OSP表面處理(「銅」基地)的板子上,那麼應該會從A的位置斷裂。

如果是一個銅底鍍鎳後再鍍錫的零件焊腳焊接在OSP表面處理(「銅」基地)的板子上,那麼雙方就半斤八兩,就要看那一邊所形成的IMC比較完整,或面積比較大了。

下圖是ENIG板子零件掉落的切片元素分析報告。
EDX-PCB


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訪客留言內容(Comments)

無鉛銲接、IMC雖認形成了、但要以SnAg3的厚度來決定其強度、太薄或太厚都會影響其強度.影響其厚度還要以SMT Profile條件為主.

請問一下文章中的問題
1.如何辦斷哪些是好的IMC哪些是不好的IMC,可從結構判斷嗎?
2.游離IMC是怎麼樣各游離法? 是否能再請您稍作舉例解釋呢?

非常感謝大大的用心分享~

Hazel,
1. IMC好不好,請參考【何謂IMC (Intermetallic Compound)?IMC與PCB焊接強度有何關係?】的介紹。
2. 我沒有辦法舉例告訴你「IMC是怎麼樣各游離法」。


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