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        IMC是什么?PCB焊接強度與IMC的關系

        發布時間 :2018-08-02 10:56 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCBA部
        電路板的組裝焊接過程中,經常聽到IMC這個名詞,那究竟IMC是什么東西?它在PCB焊接的過程當中又扮演了什么樣的角色?它會影響到焊接后的強度嗎?那究竟IMC的厚度應該多少才比較合理呢?
        下面是關于PCB焊接強度與IMC的關系介紹。
        1. 何謂IMC?
        IMC是【Intermetallic Compound】的縮寫簡稱,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(OSP, I-Ag, I-Sn))或是鎳基地(ENIG)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」后的結果,屬于純物質。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,其比例并無固定,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;而男女結合后所生下的小孩就稱為化合物。這樣比喻會不會被打??!
         
        3. 既然稱為【錫膏】,為何還有其他的金屬成份在里面?
        這是因為純錫的融點高達232°C,不易用于一般的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,然后加入其他合金焊料來降低其融點,以達到可以量產并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,為什么原本兩個熔點都很高的金屬,以一定比率混在一起之后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??吹絀MC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?
        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后會生成良性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,但卻是游走式的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于生銹而已,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??傮w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游走后,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% 高溫熔錫沾焊到干淨的銅面時生成 介于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% 焊接后經過高溫或長期老化逐漸生成 介于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?
        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。


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