名詞解釋 - IMC

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。
   
   而合金(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？
   
   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。

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