2014/03/19 • 23条评论

何谓IMC (Intermetallic Compound)？IMC与PCB焊接强度有何关系？IMC厚度有IPC标准？

在电路板的组装焊接过程中，经常会听到工程师或实验室的分析报告里提到IMC这个名词，那究竟IMC是什么东西？IMC在电路板组装(PCBA)焊接的过程当中又扮演了什么样的角色？它会影响到焊接的强度吗？常常听到有人说这个IMC太薄，那个IMC长得太厚，那究竟IMC的厚度应该落在多少才比较合理呢？

下面的文章是188金宝搏苹果下载有一次去上了一堂「白蓉生」老师关于PCB焊接强度与IMC的课程后的心得整理，大师开讲还真的可以学到不少东西。

1. 何谓IMC?

IMC是【Intermetallic Compound】的英文缩写简称，依据白蓉生老师的说法，中文应该翻译成【介面金属共化物】或【介金属】。

而IMC是一种化学分子式，不是合金（註：但也有人把IMC归类为合金(alloy)的一种），也不是纯金属。

既然IMC是一种化学反应后的分子组成（IMC也可以透过常温扩散形成，但速度很慢），所以一般IMC的形成必须给予能量才能加速其进行，这也就是为何锡膏在焊接过程中需要加热的原因，而且锡膏的成份中只有纯锡(Sn)才会与铜基地（例如OSP, I-Ag, I-Sn表面处理的板子）或是镍基地（ENIG表面处理的板子）在强热中发生扩散反应，进而生成牢固的介面性IMC。

2. 【合金(alloy)】与【介面金属共化物(Intermetallic Compound)】有何差别？

介面金属化合物是两种以上金属元素以「固定比例」所形成的化合物，是一种「化学反应」后的结果，属于纯物质。比如说Cu₆Sn₅、Ni₃Sn₄、AuSn₄…等这样的物质。

而合金(alloy)则是两种以上金属的混合物，其比例并无固定，可以随时调整，只是均匀的将不同的元素混合在一起就可以了。

所以你可以说男人与女人混在一起称之为合金；而男女结合后所生下的小孩就称为化合物。这样比喻会不会被打啊！

3. 既然称为【锡膏】，为何还有其他的金属成份在里面？

这是因为纯锡的融点高达232°C，不易用于一般的PCB板组装焊接，或者说目前的电子零件无法达到这样的高温，所以必须以锡为基础，然后加入其他合金焊料来降低其融点，以达到可以量产并节省能源的主要目的，其次要目的是某些金属可以改善焊点的韧度(Toughness)与强度(Strength)。

比如说加入少量的银与铜作成SAC305，其共熔点就可以降到217°C。加入铜及镍作成SCNi，其共熔点就会变成227°C。这是个很有趣的题目，为什么原本两个熔点都很高的金属，以一定比率混合在一起之后其「共熔点」反而会大大降低，有兴趣的朋友可以先找锡铅的二元平衡金相图来参考一下。

延伸阅读：锡膏中添加铜银锌锑铋铟等微量金属的目的为何？

4. 经常看到IMC中有Cu₆Sn₅、Ni₃Sn₄、Cu₃Sn、AuSn₄、Ag₃Sn与PdSn₄的化学式，请问这些化学式的形成与地点？

铜基地的表面处理PCB，如OSP(有机保焊膜), I-Ag(浸镀银), I-Sn(浸镀锡), HASL(喷锡)与锡膏的焊接，在高热的回焊炉中会形成良性IMC的Cu₆Sn₅化合物，但是随着时间的老化，或PCB通过回焊炉过久，就会从Cu₆Sn₅慢慢再演化成劣性IMC的Cu₃Sn。

Cu₆Sn₅基本上是由Cu与Sn液态反应所生成，会最先生长在铜基地与焊锡之间，而Cu₃Sn基本上则是从已生成的Cu₆Sn₅与Cu固态反应所生成，所以一般长在Cu与Cu₆Sn₅的介面处。

镍基地的表面处理PCB，如ENIG, ENXG, 与ENEPIG，经过高热回焊炉与锡膏结合后会生成良性IMC的Ni₃Sn₄。

另外，金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)也会与锡(Sn)形成AuSn₄、Ag₃Sn和PdSn₄等化合物，但却是游走式的IMC，这些IMC如果留存在焊接的介面处通常对焊点的强度是有害而无利，焊垫上的金与银的最大作用就是保护底镍与底铜免于与空气接触生锈而已，金与银越厚者，焊点强度就越弱，但是不能薄到无法全面覆盖住底镍及底铜，否则就无法保护底镍或底铜了。

5. 各种IMC的强度为何？

再次提醒，焊接是一种化学反应。

以铜基地的焊垫为例，良好的焊接会立即生成η-phase(读Eta)良性的Cu₆Sn₅，且还会随着焊接热量的累积与老化时间而增厚。

铜基地的焊点在老化的过程中又会在原来的Cu₆Sn₅上长出恶性ε-phase (读Epsilon)恶性的Cu₃Sn。总体而言铜基地的焊接强度比镍基地来得好，可靠度也比较高，但是会随着时间老化，强度变差。
建议延伸阅读：用数据比较OSP及ENIG表面处理电路板之焊接焊锡焊点强度

镍基地的化镍浸金与电镀镍金会与锡膏形成Ni₃Sn₄共化物，但电镀镍金的金通常较厚，金层越厚，其焊点的IMC生成反而会比较薄，而且当金没有完全逸走时，反而容易形成金脆，因为在焊接过程中，只有在AuSn₄游走后，镍基地才会开始与锡膏形成Ni₃Sn₄，不过Ni₃Sn₄的强度原本就不如Cu₆Sn₅。

命名分子式含锡量W% 出现经过位置所在颜色结晶性能表面能

η-phase
(Eta)
Cu₆Sn₅ 60% 高温熔锡沾焊到干净的铜面时生成介于焊锡或纯锡之间的介面白色球状组织良性IMC为焊接强度之必须甚高

ε-phase
(Epsilon)
Cu₃Sn 30% 焊接后经过高温或长期老化逐渐生成介于Cu₆Sn₅与铜面之间灰色柱状结晶恶性IMC将造成缩锡或不沾锡较低，只有Eta的一半

6. IMC的厚度是不是越厚越好？IMC厚度有IPC工业标准吗？

会问这个问题表示你没有读过书，不够瞭解IMC是什么？白老师一直以农夫称之，但现在高级知识份子当农夫者多得是，所以188金宝搏苹果下载个人还是很尊敬农夫的，而且188金宝搏苹果下载的老爸以前也是农夫啊，自己小时候还耕过田呢，怎能说农夫见识浅薄呢！

白老师一直强调，介面IMC只要有长出来且长得均匀就可以了，因为IMC会随着时间与热量的累积而越长越厚，当IMC长得太厚时强度反而就会变差，变得容易脆裂。IMC有点像砌墙时砖块与砖块之间的水泥一样，适量的水泥可以将不同的砖块结合在一起，但水泥太厚了反而容易被推倒（影片中有图表做更进一步的说明）。

IMC的生成速度基本上与时间的平方及温度成正比（影片中有图表说明）。

另外，影片中也有说明合理IMC厚度的建议应该落在1～3um，但这只是建议，如果你瞭解了IMC的形成原理，就会知道IMC厚度是没有IPC工业标准的。

用影片解说【什么是IMC？】(包含合金、共晶、共化物差异说明、IMC的建议厚度)

关于IMC（Intermetallic Compounds，介金属共化物）的解说影片。
2013/3/8更新：影片中提到IMC厚度单位已更正为um。
~~不是micro-inch(u")~~
1 µm = 39.37 µin
1 µin = 0.0254 µm
1 mil = 25.4 µm

延伸阅读：
PCB爆板的真因剖析与防止
 零件掉落与镀金厚度的关系
 浸金及电镀金在电路板焊接中所扮演的角色
 SMT与Wave soldering焊锡的中文翻译与观念澄清

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23个回应

Alistar

2024/05/12

请问：焊接元件的基材和镀层是steel+Ni+Sn, reflow之后，IMC层在Ni层形成，是吗？元件掉落后，在元件焊接面做X-RAY测试，未发现任何镀层，元件基材和镀层材料分离了。有可能是因为Ni层过薄，大部分的Ni层都被转化为IMC层，由于IMC层过厚，导致的掉落吗？谢谢分享

- 188金宝搏苹果下载
  
  2024/05/18
  
  Alistar,
  建议你要切片检查元件上的焊点，还有多少层残留？并确认你所谓「镍层太薄，镍层全部被转为IMC」是否为真实。steel上看不到镍层不一定是镍层太薄，也可能剥离发生在金属表面与镍镀层间，所以你才无法在steel上看到镍层。切片可以帮忙釐清这个问题。
  
Ian

2024/02/16

想请问版大，若为同一金属物质(例如 : 铜对铜)也会有 IMC 层吗? 谢谢熊大

- 188金宝搏苹果下载
  
  2024/02/16
  
  Ian，
  假设你说的焊接是将纯铜焊接在纯铜上，那依然会产生IMC，因为焊料含锡。
  如果你可以找到纯铜的焊料，来焊接纯铜，那就不会有IMC产生，这样就是将相同的金属熔接在一起，不会有IMC产生。
  
泰迪

2022/07/02

想请问版大
影片中有一页在讨论各金属的imc老化速度
可以跟您要原始图档或资料来源吗?
课堂报告需要使用，会将资料来源标记清楚

- 188金宝搏苹果下载
  
  2022/07/02
  
  泰迪,
  要让你失望了，我没有原始图档来源的资讯。
  这张图是从白榕生老师的文章中借来的，白老师可能也是从别的地方借来的。
  
Eva

2019/12/03

哈啰 188金宝搏苹果下载大：
抱歉！我看到IMC与共晶不同了！那先后顺序就会是先有共晶才有IMC这样对吗？

- 188金宝搏苹果下载
  
  2019/12/03
  
  Eva,
  你可能还没有弄清楚，还是建议你看一下文章末尾影片内有说明。
  
Eva

2019/12/03

想请问188金宝搏苹果下载大：
IMC与共晶化合物(eutectic composition)是相同的吗？
另外看到维基百科内提到以下内容请问primary是位在相图中的哪个位置？代表的意思是primary可能会是ε-phase吗？
“在降温过程中不会经过共晶点，而是由 ( L + α ) 态或 ( L + β ) 态转变为 ( α + β ) 态，则原先便已长出的晶粒称为 ( primary )，而当温度达到共晶温度时才长出的晶粒则称为 ( eutectic )”

- 188金宝搏苹果下载
  
  2019/12/03
  
  Eva,
  文章末尾影片内有说明。
  
CY

2019/09/25

熊大回復好快~~感谢
我看到了,再请问知道哪里有这方面的相关文献
可以让我去参考吗?

- 188金宝搏苹果下载
  
  2019/09/25
  
  CY,
  文献的东西我就不知道了。
  
CY

2019/09/25

针对IMC的生成速度基本上与”时间的平方与温度”成正比
一般都知道高温会加速IMC成长
但如果IC只是存放常温下多年未使用,内部銲点IMC仍会持续成长吗?
这有什么文献或公式可以参考吗?

- 188金宝搏苹果下载
  
  2019/09/25
  
  CY,
  影片的9:18的地方有一张图表。
  
陈建宏

2016/08/03

感谢工作雄大大不吝啬的解答;

小弟还有一个问题: 在铝pad上的化镀镍; 这两者会因为我把温度拉高键结能力会变好吗??

- 188金宝搏苹果下载
  
  2016/08/04
  
  陈建宏,
  铝质基板个人没有研究。
  
陈建宏

2016/08/01

大哥小弟想请问 :

IMC 是只要到高温区就会形成吗? 还是说需要一段时间使他生成?

困惑已久感谢

- 188金宝搏苹果下载
  
  2016/08/02
  
  陈建宏,
  其实IMC的形成不只是温度，而是热量或功。一般用温度比较好形容。所以时间也要考虑。另外，温度的传递也是一个要素。
  
十日十韦丘山

2014/04/08

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！

- 188金宝搏苹果下载
  
  2014/04/08
  
  十日十韦丘山;
  标准就是IMC有均匀的生成就可以了。
  可以问客户希望IMC多厚，然后做一片给他自己测试。
  
ewew

2014/03/20

谢谢熊大的称赞,专家实在是不敢当~~~
在这个业界待久了,随着时间的增加自然所看到的也多了
随着经验的累积,自然会比刚入行几年的人知道的多些!!!

ewew

2014/03/20

这一篇很不错啊!!!
很多人只知道SMT/PCBA制程,
但不知道什么是介面合金化合物(IMC,我是这么称唿他)
IMC厚度在业界一直没有真正的规范在
都是靠前人的经验所累积的经验,然后提出一个较佳的厚度范围!!!
非常多的公司并不会去量测这个东西,除非有焊接有异常出现才会去看这个
因为这要用电子显微镜(EDS)去看才看的清楚
一般都是真正的Lab才会拥有这种显微镜
(如:SGS/宜特…etc <==不是打广告-.-")

- 188金宝搏苹果下载
  
  2014/03/20
  
  ewew;
  让SMT专家称赞真的尾椎都要翘来了，
  ~自己再看了一次发现许多错字耶~
  宜特或SGS我们也常光顾呢!

命名	分子式	含锡量W%	出现经过	位置所在	颜色	结晶	性能	表面能
η-phase (Eta)	Cu₆Sn₅	60%	高温熔锡沾焊到干净的铜面时生成	介于焊锡或纯锡之间的介面	白色	球状组织	良性IMC为焊接强度之必须	甚高
ε-phase (Epsilon)	Cu₃Sn	30%	焊接后经过高温或长期老化逐渐生成	介于Cu₆Sn₅与铜面之间	灰色	柱状结晶	恶性IMC将造成缩锡或不沾锡	较低，只有Eta的一半