IMC 介金屬化合物是什麼:焊點為什麼需要它、厚度怎麼長、太厚與金脆怎麼影響強度,從認識、回焊、老化、強度到切片判讀的 5 個階段
IMC 沒有通用的合格厚度,要看量法和回焊、老化條件。一篇公開期刊論文把 SAC305 焊在 OSP 銅墊上,回焊後 IMC 平均 1.12~1.91 µm,經過 -40~125 °C 冷熱衝擊或 125 °C 老化 250 小時後都還在 4 µm 以下;作者也寫,多厚才會傷到焊點目前仍不清楚(來源 11)。出廠後的成長大致和時間的平方根成正比,溫度越高長得越快(來源 13)。
IMC(介金屬化合物)是焊錫和被焊的金屬在界面上反應形成的化合物層,例如銅焊墊上常見的 Cu6Sn5 與 Cu3Sn、鎳層上的 Ni3Sn4。焊點要有這一層,才表示焊錫和焊墊或零件端子之間有了接合;但它常常又硬又脆,太少或太多都會影響焊點強度。它的厚度在回焊時隨峰值溫度與液態以上的時間增加,出廠後在高溫下還會慢慢繼續長,界面也可能長出空洞;鍍金沒有溶散或金含量太高時,還會出現脆的金錫化合物。要看 IMC,常見做法是切片後用顯微鏡量厚度、用能譜看成分。 本文談的是 IMC 是什麼、回焊與老化怎麼讓它變厚、和焊點強度的關係,以及切片報告怎麼看;零件掉落的整體分析、BGA 焊墊的防裂設計、回焊曲線怎麼調,不在範圍內。分成 5 個階段:
- 階段①|認識 IMC: 是什麼、常見的幾種、為什麼焊點需要它。
- 階段②|回焊時怎麼長: 峰值溫度、液態以上的時間、阻障層。
- 階段③|出廠後還會長: 高溫老化、冷熱衝擊、界面的空洞。
- 階段④|和焊點強度的關係: 太少與太多、脆性斷裂、金脆。
- 階段⑤|切片報告怎麼看: 切片怎麼做、厚度怎麼量、成分怎麼看、有沒有標準厚度。
下面每個階段寫:怎麼做、公開資料怎麼說,有對應時再寫嘉鴻能幫的;來源、例外與整理放在文末的「備註」。此為一般情況,仍需視個案而定。
階段①:認識 IMC
怎麼做:
- IMC 是什麼:焊錫凝固時,以及焊錫和被焊表面起反應時,會形成很多種介金屬化合物;它們形成獨立的相,常以夾雜物的形式分布在有延展性的基體裡(來源 1)。
- 常常又硬又脆:介金屬化合物常常又硬又脆;焊錫和被焊材料之間可能形成一層層的介金屬化合物,這些層可能讓機械可靠度變弱、變脆,也可能讓電阻增加,或出現電遷移與空洞(來源 1)。
- 銅焊墊上的兩層:焊錫和銅之間常見 Cu6Sn5 與 Cu3Sn;Cu6Sn5 在錫多時優先形成,Cu3Sn 在銅多時優先形成、比 Cu6Sn5 耐熱,焊接溫度較高時常會出現;由銅往焊錫可能依序是 Cu、Cu3Sn、Cu6Sn5、Sn(來源 1)。
- 其他常見的:鎳層和焊錫之間常見 Ni3Sn4;錫裡的銀超過 3% 時,Ag3Sn 會長成板狀,可能成為裂紋的起點;金和錫在錫多時形成 AuSn4,它很脆(來源 1)。
- 焊點需要它:一篇研討會論文寫,IMC 是良好焊點必要的,它的存在表示焊錫和零件端子或基板之間有一層接合層(來源 3);一家焊料廠的技術文章也寫,焊接的目標就是在焊錫和電路板、焊錫和零件之間形成介金屬層(來源 2)。
- 熔點比焊接溫度高:同一篇焊料廠文章寫,銅錫介金屬化合物的熔點遠高於焊接溫度,回焊時不會熔化,會以夾雜物的形式留在焊點裡(來源 2)。「遠高於」有多高:同一篇文章寫,錫多的 Cu6Sn5 約 415 °C、銅多的 Cu3Sn 約 670 °C(來源 2);美國國家標準與技術研究院(NIST)的銅錫相圖也把 Cu6Sn5 的生成(包晶)溫度列為 415 °C,而錫銅共晶焊錫在 226.8 °C 就熔化(來源 12)。
公開資料怎麼說: 一份網路百科的焊料條目(介金屬化合物一節)寫:焊錫凝固與和被焊表面反應時會形成很多種介金屬化合物,常常又硬又脆;焊錫和被焊材料之間的介金屬層可能讓機械可靠度變弱、變脆、電阻增加,或出現電遷移與空洞;銅和鎳在一般焊接溫度曲線下傾向形成介金屬層;Cu6Sn5 在錫多時優先形成、Cu3Sn 在銅多時優先形成且較耐熱、Ni3Sn4 常見在鎳的界面、AuSn4 很脆。一篇研討會論文(檔案標 2007 年 1 月;四位作者分別來自一所大學與三家公司)寫:IMC 是良好焊點必要的,錫銀銅焊接的 IMC 主要是 Cu6Sn5 與 Ag3Sn;焊點強度會受到 IMC 太少與 IMC 太多的影響(備註表 1)。
階段②:回焊時怎麼長
怎麼做:
- 先溶、再長:回焊時,基材的銅溶進熔融的焊錫,在界面形成 IMC 層(來源 3)。
- 峰值溫度與液態以上的時間:一篇研討會論文用錫銀銅(SAC305)焊在 OSP 銅墊上,IMC 厚度隨峰值溫度與液態以上的時間增加,但不是線性:液態以上 90 秒時,峰值從 230 °C 升到 240 °C,厚度增加 66%,再升到 250 °C 就沒有再增加;峰值 240 °C 與 250 °C 時,液態以上的時間從 30 秒拉到 90 秒,厚度約增加 30%(來源 3)。
- 另一組比較:一家焊料廠的文章引了液態以上 60、90、120 秒的比較,IMC 層厚度分別是 0.50、0.80、1.25 µm(來源 2)。這是一組試驗的結果,不是通用值。
- 無鉛和錫鉛:同樣高出液態溫度的峰值與同樣的時間下,錫銀銅焊點的 IMC 多數條件下比錫鉛焊點稍厚;作者寫,這可能和錫銀銅較高的回焊溫度、較高的錫含量有關(來源 3)。
- 液態時間太長:焊料廠文章寫,金屬化層溶得太快或太厚時,介金屬相在焊點裡的體積比例可能太大;焊點一旦形成連續的介金屬層,就失去金屬的性質而變脆,之後的衝擊或應力可能造成失效(來源 2)。
- 用鎳擋住:要減少焊錫和銅的反應,可以用反應較慢的金屬當阻障層,鎳常用;錫鉛焊接時,鎳上形成的介金屬化合物很少(來源 2)。
公開資料怎麼說: 前面那篇研討會論文寫:回焊時基材的銅溶進熔錫,在界面形成 IMC;九組回焊條件下,回焊後的 IMC 厚度都在 3 µm 以下,隨峰值溫度與液態以上的時間增加,但增加不是線性的;錫銀銅焊點的 IMC 多數條件下比錫鉛稍厚。前面那篇焊料廠的文章(檔案標 2002 年 7 月;作者任職於焊料廠)寫:焊接的目標是形成介金屬層;溫度越高,銅溶進焊錫的速度越快;液態時間太長、金屬化層溶得太多時,焊點可能形成連續的介金屬層而變脆;鎳常當作阻障層(備註表 2)。
階段③:出廠後還會長
怎麼做:
- 固態下繼續長:焊接時析出的介金屬化合物,在焊點凝固後還會以較慢的速度繼續形成;這個成長由溫度驅動,越接近焊錫的熔點長得越快;焊料廠文章寫,125 °C 以下長得不多,150 °C 時成長與溫度上升呈對數關係(來源 2)。較新的整理多用另一種說法描述:IMC 厚度大致和時間的平方根成正比(擴散控制),成長速率常數則隨溫度依阿瑞尼斯關係變大,溫度越高加速得越多(來源 13、14)。一家焊料廠的技術部落格依 1994 年的試驗數據推算,125 °C、120 小時約長 2.2 µm,和另一篇期刊論文在同條件量到的約 2 µm 相近(來源 13);但前面那篇研討會論文的期刊版,125 °C 老化 250 小時只多了 0.12~0.86 µm(來源 11)。不同研究的量級可以差好幾倍,所以「125 °C 以下長得不多」只能當方向,要用自己的樣品做老化試驗確認。
- 冷熱衝擊後變厚:研討會論文把焊點放進 -40 到 125 °C 的冷熱衝擊 500 個循環,所有樣品的 IMC 都明顯變厚;回焊後已經約 2 µm 厚的,增加得少很多,作者推測厚的 IMC 層可能限制銅繼續溶進錫(來源 3)。
- 界面的空洞:一份技術文章寫,銅在 Cu3Sn 與 Cu6Sn5 層裡擴散得快,常在銅和 Cu3Sn 的界面、或 Cu3Sn 和 Cu6Sn5 的界面長出柯肯達爾空洞;這些空洞通常密度低、小到光學顯微鏡看不到,一般不被當成實際的問題(來源 4)。
- 老化後可能變多:同一份文章引述的報告寫,錫銀銅焊點在銅墊上,100 °C 下老化 20 到 40 天後,沿銅和 Cu3Sn 的界面長出大量空洞,讓焊點變弱;但也有實驗沒有重現,結果和電鍍批次有關,可能和雜質有關(來源 4)。
- 鎳金焊墊也可能變:同一份文章寫,鎳上會先長 Ni3Sn4,錫銀銅焊錫裡的銅可能在上面再長出一層 (Cu,Ni)6Sn5,有些這樣的結構在組裝後就是脆的;錫鉛焊點裡這種結構老化後,也有大量空洞的報告(來源 4)。
公開資料怎麼說: 前面那篇焊料廠的文章寫:介金屬化合物在固態下會以較慢的速度繼續形成,成長由溫度驅動,125 °C 以下長得不多,150 °C 時成長與溫度上升呈對數關係;作者據此寫,高錫的錫鉛系統不宜用在長時間高於 150 °C 工作的裝置。前面那篇研討會論文寫:冷熱衝擊、熱老化或溫度循環時,IMC 也會長;-40 到 125 °C、500 個循環後所有樣品都變厚。一份技術文章(檔案標 2004 年 10 月;頁尾標一家公司的名稱)寫:無鉛焊點可能在剛組裝時就脆,或在中等程度的熱老化後變脆;銅墊上的柯肯達爾空洞有在中等老化後大量出現的報告,也有沒有重現的實驗;常見的焊墊表面處理,似乎沒有一種能一直不受脆化影響(備註表 3)。
階段④:和焊點強度的關係
怎麼做:
- 太少、太多都不好:研討會論文寫,焊點強度會受 IMC 太少與 IMC 太多影響;IMC 太多時,它的脆性可能帶來疲勞可靠度的疑慮(來源 3)。
- 看斷在哪裡:技術文章寫,剪力或拉力試驗裡,斷裂從焊錫本身換到焊墊表面或介金屬層裡,就是焊點正在變弱的跡象;沒有明顯塑性變形的界面脆斷,對預期會受到衝擊的產品是本質上的問題(來源 4)。
- 金會很快溶進焊錫:焊料廠文章寫,錫鉛焊錫在鎳金鍍層上回焊時,金很快溶進焊錫,形成長條、脆的 AuSn4 分布在焊錫裡;金濃度太高時焊點會變脆,疲勞壽命可能明顯下降;一般認為金低於 3% 不會金脆(來源 2)。
- 金沒有溶散也有問題:同一篇文章寫,金層厚時大量的 AuSn4 通常會聚集、無法均勻分散,在冷熱循環的環境下特別傷焊點;金表面沒有完全溶進焊錫時,之後固態擴散也可能造成長期失效(來源 2)。
- 標準怎麼寫金:一篇研討會論文轉引 IPC 的組裝與接合手冊(IPC-AJ-820A),焊點裡的金上限是重量的 3 到 4%(來源 5);同一篇論文的一個案例,用掃描式電子顯微鏡搭配能譜量到焊點裡的金約 10~11 wt%(來源 5);一篇產業網站文章寫,J-STD-001 的 F 版(2014 年 7 月)把除金的要求變嚴:沒有除金,在 E 版是第 2 級產品的製程指標,F 版變成缺陷;需要手焊的通孔腳不論金多厚都要除金,焊錫量少或停留時間不夠時也可能出現金脆(來源 6)。
公開資料怎麼說: 前面那篇研討會論文寫:IMC 太少與太多都會影響焊點強度,太多時脆性可能帶來疲勞可靠度的疑慮。前面那份技術文章寫:斷裂從焊錫換到焊墊表面或介金屬層,表示焊點在變弱;界面脆斷對會受衝擊的產品是本質上的問題。一篇 IPC 網站上的研討會論文(文件標 2014 年;作者任職於一家公司)寫:焊點脆化是焊點耐久性因溶解或和金、鈀等表面處理反應而改變,在錫基焊錫裡表現為 AuSn4 或 PdSn4;這些化合物比軟的焊錫脆,讓焊點承受機械應變的能力下降。一篇產業網站文章(2015 年 10 月;作者任職於一家公司)寫:J-STD-001 F 版對鍍金零件的除金要求變嚴(備註表 4)。
階段⑤:切片報告怎麼看
怎麼做:
- 切片是破壞性的:一家公司的技術文章寫,切片要先標出要看的位置,再封膠固定、鋸開、研磨、拋光、染色,之後用光學顯微鏡或掃描式電子顯微鏡看並記錄;IPC-TM-650 2.1.1 規定了金相試片的製作,但結果很依賴操作者的技術(來源 7)。這份測試方法的正式名稱是「Microsectioning, Manual and Semi or Automatic」,IPC 官網公開的是 F 版(2015 年 6 月);它寫明是印刷電路板金相試片製作的指引,並直言這些技術的成敗「高度依賴金相人員個人的技術」(來源 15)。
- 一篇論文的做法:研討會論文用環氧樹脂封膠、逐級研磨與拋光、蝕刻後,用掃描式電子顯微鏡在 5000 倍下量 IMC 厚度、搭配能譜,每個樣品量 5 點;只量板子那一側,零件那一側通常很薄、不容易分辨(來源 3)。
- 層不是一條直線:一篇期刊論文寫,IMC 長得凹凸不平,有凸起與凹谷,在銅上可以呈扇貝狀;常見做法是用平均值代表厚度,有人每個樣品量 20 到 40 點;這篇論文量了 300 點,建議用眾數代表厚度(來源 9)。
- 成分要看能譜:前面那篇談焊點脆化的論文,每個案例都用掃描式電子顯微鏡的影像搭配能譜成分資料,判斷是哪一種化合物、金的重量百分比多少(來源 5)。
- 有沒有標準厚度:一個產業網站的顧問問答節目裡,提問者寫讀過銅錫層 1 到 2.5 µm、鎳錫層 0.4 到 0.8 µm 是理想厚度;兩位顧問回答時沒有給規定值,而是說銅錫 IMC 形成得很快,太厚通常才是問題,但 IMC 的問題比「不要太厚」複雜,建議用加速壽命等可靠度試驗來看可不可以接受(來源 8)。
- 報告要附的:量的是哪一側、放大倍率、量了幾點、代表值是平均還是眾數,以及樣品經過的回焊與老化條件;不同條件的厚度不能直接比。
公開資料怎麼說: 一家公司的技術文章(2009 年 12 月;作者所屬公司提供切片服務)寫:切片用來看材料或做失效分析,是破壞性的,要封膠支撐;IPC-TM-650 2.1.1 規定金相試片的製作,結果高度依賴操作者;回焊後焊點的介金屬區與晶粒結構,可用來做製程優化與問題排除。一篇期刊論文(2016 年;作者來自一所大學)寫:IMC 形狀不規則,有凸起與凹谷,量厚度要用統計的方法,建議以眾數代表。一個產業網站的顧問問答節目(頁面沒有節目日期,較早的留言標 2016 年 4 月;兩位主持人來自一家顧問公司)寫:讀到的發表過的可靠度試驗,很少說是 IMC 太厚造成焊點失效,建議用可靠度試驗判斷(備註表 5)。
嘉鴻能幫的:
- 需要做成分分析時,可以找嘉鴻工程部協助。
客訴「不潤濕」時,IMC 是用來判責任的證據
在 SMT/EMS 產線,IMC 很少是每天量的參數,但只要出現焊點不良的客訴,切片看 IMC 幾乎一定會做。工程資料裡兩份分析可以看出它的用法:
- 有 IMC,代表焊墊本身吃得上錫。 一份基板廠對「焊錫不潤濕」客訴的失效分析,做剖面看到有錫的地方都有 IMC(在 Ni/Cu 上),再用打線拉力側面證明金面正常,結論是焊墊表面沒問題,問題比較可能在錫膏量或組裝條件。
- 回焊條件會影響 IMC 長成什麼樣子。 錫膏原廠資料表會給液相以上時間(TAL)、峰值溫度與冷卻速率的建議範圍;回焊次數越多、液相以上時間越長,IMC 越厚。所以多次回焊的產品(雙面板、重工)要特別看。
- 板面處理也會影響可靠度。 一篇公開論文(2007 年電子元件與技術會議,SnAgCu 添加 Ni 或 Bi 的落下可靠度研究,出處列在備註)用 JEDEC 落下測試比較,發現 Cu|OSP 板面比 Ni(P)|Au 板面可靠,而且溫度越高,落下壽命越差——評估要在產品實際的使用溫度下做,不只在室溫。
焊點外觀的允收依 IPC-A-610;IMC 有沒有標準厚度,見本文階段⑤——沒有通用的上限,通常由客人或產品規格另訂,並以切片報告判讀。
常見問題
Q1:IMC 厚度多少才算合格?
IMC 沒有一個通用的合格厚度,本頁讀到的公開資料都沒有寫出標準規定的範圍;網路上流傳的銅錫 1~2.5 µm、鎳錫 0.4~0.8 µm,本頁引用的顧問問答資料並未採用這些數字。可以參考的量級:一篇公開期刊論文的 SAC305/OSP 銅墊樣品,回焊後平均 1.12~1.91 µm,冷熱衝擊或 125 °C 老化 250 小時後都在 4 µm 以下,作者也寫多厚才會傷到焊點仍不清楚(來源 11)。這是一組試驗的結果,不是規格值。實務上通常由客戶或產品規格另訂;沒有規格時,可以把量產條件下的切片厚度當基準,再用冷熱衝擊、高溫老化等可靠度試驗確認能不能接受。比較時要用同一側、同倍率、同樣點數與代表值,不同條件的數字不能直接比(見本頁階段⑤)。
Q2:重工或雙面板多次回焊,IMC 會不會長到太厚?
多次回焊等於讓焊點在液態以上停留更久,IMC 通常會再變厚,幅度要看峰值溫度與液態以上的時間。一篇研討會論文的九組回焊條件,回焊後的 IMC 都在 3 µm 以下;液態以上的時間從 30 秒拉到 90 秒,厚度約增加 30%(來源 3)。要確認時,可以把重工品和一次回焊的同料號板一起切片、用同樣的量法比較;產品若要長時間在高溫下使用,出廠後老化的成長也要一起算進去(見本頁「客訴」節第 2 點)。
Q3:IMC 和化學鎳金板的「黑墊」是同一件事嗎?
不是同一件事。IMC 是焊錫和金屬反應長出的接合層,每個焊點都需要;黑墊是化學鎳金板在浸金時鎳層被過度腐蝕的鍍層缺陷,發生在焊接之前,會讓錫吃不好、焊點容易沿鎳面斷開。兩者在切片上都看界面:IMC 看厚度、連續性與成分,黑墊看鎳層表面有沒有發黑與裂縫狀的腐蝕;化學鎳金的鍍層要求可參考 IPC-4552,實際以客戶指定版本為準。
Q4:切片看不到 IMC,或鎳面上的 IMC 很薄,是不是沒焊上?
不一定。鎳是常用的阻障層,和錫反應得比銅慢,鎳上本來就長得少(來源 2);零件那一側的 IMC 也常常很薄、不容易分辨,一篇論文因此只量板側,並用掃描式電子顯微鏡 5000 倍搭配能譜量測(來源 3)。報告若只有低倍率的光學影像,可以請檢測單位在界面補做能譜確認成分,並看拉力或剪力試驗是斷在焊錫本身,還是斷在焊墊表面或介金屬層(來源 4)。
備註:來源與例外
以下給需要核對的人看,不看也不影響上面的做法。您的產品規範、客戶的可靠度要求、焊料與零件供應商的資料,和本文不同時,以它們為準。
各階段的出處
| 來源 | 用在哪裡與出處 |
|---|---|
| 來源 1 | 階段①:介金屬化合物的形成、又硬又脆、層的影響、常見的幾種;一份網路百科的焊料條目(介金屬化合物一節) |
| 來源 2 | 階段①、②、③、④:焊接的目標、熔點、液態時間太長、鎳阻障層、固態下的成長、金脆;一家焊料廠的技術文章(檔案標 2002 年 7 月;作者任職於焊料廠) |
| 來源 3 | 階段①、②、③、④、⑤:IMC 必要、太少太多、峰值溫度與液態時間、錫銀銅與錫鉛、冷熱衝擊、切片與量測做法;一篇研討會論文(檔案標 2007 年 1 月;四位作者分別來自一所大學與三家公司) |
| 來源 4 | 階段③、④:柯肯達爾空洞、老化後的脆化、鎳上的化合物、界面脆斷;一份技術文章(檔案標 2004 年 10 月;頁尾標一家公司的名稱) |
| 來源 5 | 階段④、⑤:焊點脆化的定義、AuSn4、金的重量上限(轉引)、能譜成分資料;IPC 網站上的一篇研討會論文(文件標 2014 年;作者任職於一家公司) |
| 來源 6 | 階段④:J-STD-001 F 版的除金要求(轉引);一篇產業網站文章(2015 年 10 月;作者任職於一家公司) |
| 來源 7 | 階段⑤:切片的步驟、IPC-TM-650 2.1.1、依賴操作者;一家公司的技術文章(2009 年 12 月;作者所屬公司提供切片服務) |
| 來源 8 | 階段⑤:有沒有標準厚度的問答;一個產業網站的顧問問答節目逐字稿(頁面沒有節目日期,較早的留言標 2016 年 4 月) |
| 來源 9 | 階段⑤:IMC 形狀不規則、量測點數、平均與眾數;一篇期刊論文(2016 年;作者來自一所大學) |
| 來源 10 | SMT/EMS 節第 3 點:Cu|OSP 與 Ni(P)|Au 板面的落下可靠度、溫度越高落下壽命越差;T. T. Mattila, E. Kaloinen, A. Syed, J. K. Kivilahti, “Reliability of SnAgCu Interconnections with Minor Additions of Ni or Bi under Mechanical Shock Loading at Different Temperatures,” 2007 Electronic Components and Technology Conference(ECTC) |
| 來源 11 | 開頭、表 2 下方、階段③、Q1:回焊後與老化後的 IMC 厚度、錫銀銅與錫鉛比較;來源 3 同一組試驗的期刊版(2009 年;五位作者來自一所大學、一家顧問公司與三家公司) |
| 來源 12 | 階段①:Cu6Sn5 生成溫度、錫銅共晶溫度;美國國家標準與技術研究院(NIST)的銅錫相圖 |
| 來源 13 | 開頭、階段③:成長和時間平方根成正比、125 °C 的推算與實測;一家焊料廠的技術部落格(2017 年) |
| 來源 14 | 階段③:時間平方根與阿瑞尼斯關係;同一家焊料廠的技術部落格(2023 年) |
| 來源 15 | 階段⑤:IPC-TM-650 2.1.1 F 版的名稱與範圍;IPC 官網公開的測試方法原文 |
| 嘉鴻資料 | 「嘉鴻能幫的」;嘉鴻工程部的協助範圍 |
參考資料
- 來源 1:Wikipedia「Solder」(Intermetallics 一節)— en.wikipedia.org
- 來源 2:David Suraski, AIM, “Reflow Profiling: Time Above Liquidus”(0.50/0.80/1.25 µm、125 °C/150 °C、金 3%、Cu6Sn5 415 °C/Cu3Sn 670 °C)— smtnet.com(PDF)
- 來源 3:研討會原始版本次未找到公開全文;同一組試驗見來源 11
- 來源 4:Universal Instruments Corporation, “Fragility of Pb-free Solder Joints”(2004/10;柯肯達爾空洞、100 °C 20~40 天、(Cu,Ni)6Sn5)— smtnet.com(PDF)
- 來源 5:Mike Wolverton (Raytheon), “Solder Joint Embrittlement Mechanisms, Solutions and Standards”(IPC,2014;IPC-AJ-820A 金 3~4 wt%)— electronics.org(PDF)
- 來源 6:Bob Wettermann (BEST Inc.), “Gold Embrittlement Mitigation: Understanding the New J-STD-001 Requirements,” SMT Magazine, 2015/10— iconnect007.com
- 來源 7:本次未查(切片步驟的公司技術文章)
- 來源 8:Phil Zarrow & Jim Hall (ITM Consulting), Board Talk “Review of Tin-Copper and Tin-Nickel Intermetallic Thickness”— circuitnet.com
- 來源 9:本次未查(2016 年期刊論文,眾數代表厚度)
- 來源 10:T. T. Mattila, E. Kaloinen, A. Syed, J. K. Kivilahti, ECTC 2007,DOI 10.1109/ECTC.2007.373826(摘要未讀到)— IEEE Xplore(DOI)
- 來源 11:J. Pan, T.-C. Chou, J. Bath, D. Willie, B. J. Toleno, “Effects of Reflow Profile and Thermal Conditioning on Intermetallic Compound Thickness for SnAgCu Soldered Joints,” Soldering & Surface Mount Technology 21(4), 2009, DOI 10.1108/09540910910989411— digitalcommons.calpoly.edu
- 來源 12:NIST, Cu-Sn System(Phase Diagrams & Computational Thermodynamics,焊料相圖資料庫)— metallurgy.nist.gov
- 來源 13:Indium Corporation Blog, “Intermetallic Growth Rate is Strongly Temperature Dependent”(2017)— indium.com
- 來源 14:Indium Corporation Blog, “Concern for Intermetallic Thickness Growth in SAC Solder Joints in Harsh Service Environments”(2023)— indium.com
- 來源 15:IPC-TM-650 2.1.1F “Microsectioning, Manual and Semi or Automatic”(2015/06)— electronics.org(PDF)
表 1|常見的 IMC
| 化合物 | 公開資料寫的 |
|---|---|
| Cu6Sn5 | 焊錫和銅的界面常見,錫多時優先形成(來源 1);錫銀銅焊接的 IMC 主要是它與 Ag3Sn(來源 3) |
| Cu3Sn | 焊錫和銅的界面常見,銅多時優先形成,比 Cu6Sn5 耐熱,焊接溫度較高時常出現(來源 1);靠近銅那一側(來源 2) |
| Ni3Sn4 | 焊錫和鎳的界面常見(來源 1) |
| Ag3Sn | 錫裡的銀超過 3% 時長成板狀,可能成為裂紋起點(來源 1) |
| AuSn4 | 錫多時形成,很脆(來源 1);長條狀分布在焊錫裡(來源 2) |
來源:見各列。
表 2|回焊條件和 IMC 厚度(一篇研討會論文)
| 峰值溫度與液態以上時間 | 回焊後 | 冷熱衝擊後 |
|---|---|---|
| 230 °C、30 秒 | 1.12 µm | 1.88 µm |
| 230 °C、90 秒 | 1.14 µm | 1.83 µm |
| 240 °C、30 秒 | 1.45 µm | 1.87 µm |
| 240 °C、90 秒 | 1.90 µm | 2.47 µm |
| 250 °C、30 秒 | 1.43 µm | 1.97 µm |
| 250 °C、90 秒 | 1.91 µm | 2.17 µm |
來源:3(SAC305 焊在 OSP 銅墊上的 0603 電阻,只量板側,平均值;冷熱衝擊是 -40 到 125 °C、500 個循環;只列 30、90 秒兩組時間,另有 60 秒。是一組試驗的結果,不是通用值)。
同一組試驗後來以五位作者的期刊論文正式發表(2009 年,焊接與表面黏著技術期刊);期刊版的表格列出同樣的六組平均值,並寫回焊後所有樣品都在 3 µm 以下、冷熱衝擊或熱老化後都在 4 µm 以下,錫銀銅的 IMC 比錫鉛厚,在 95% 信賴水準下有統計差異(來源 11)。
表 3|出廠後還會長
| 情況 | 公開資料寫的 |
|---|---|
| 固態成長 | 由溫度驅動,125 °C 以下長得不多,150 °C 時與溫度上升呈對數關係(來源 2) |
| 冷熱衝擊 | -40 到 125 °C、500 個循環後都變厚;已約 2 µm 的增加較少(來源 3) |
| 柯肯達爾空洞 | 常在銅和 Cu3Sn 或 Cu3Sn 和 Cu6Sn5 的界面;通常小而少,也有老化後大量出現的報告(來源 4) |
| 鎳上的層 | Ni3Sn4 上可能再長 (Cu,Ni)6Sn5,有些組裝後就脆(來源 4) |
來源:見各列。
表 4|IMC 和焊點強度
| 項目 | 公開資料寫的 |
|---|---|
| 太少、太多 | 都會影響焊點強度;太多時脆性可能帶來疲勞可靠度的疑慮(來源 3) |
| 連續的介金屬層 | 焊點失去金屬性質而變脆(來源 2) |
| 斷在哪裡 | 斷在焊墊表面或介金屬層裡,表示焊點在變弱(來源 4) |
| 金 | 一般認為低於 3% 不會金脆(錫鉛焊錫,來源 2);手冊上限是重量的 3 到 4%(來源 5,轉引) |
| 除金 | J-STD-001 F 版:不除金從(第 2 級的)製程指標變成缺陷(來源 6,轉引) |
來源:見各列。
表 5|切片報告要看的
| 項目 | 公開資料寫的 |
|---|---|
| 製作 | 封膠、鋸、研磨、拋光、染色;結果依賴操作者(來源 7) |
| 放大與工具 | 掃描式電子顯微鏡 5000 倍,搭配能譜(來源 3) |
| 量哪一側 | 一篇只量板側,零件側太薄不易分辨(來源 3) |
| 量幾點 | 有人量 20 到 40 點,一篇量 300 點(來源 9) |
| 代表值 | 常用平均,一篇建議用眾數(來源 9) |
| 標準厚度 | 問答節目裡顧問沒有給規定值,建議用可靠度試驗判斷(來源 8) |
來源:見各列;「報告要附的」是本文的整理。
例外與限制
- 看到什麼:本文讀到的是 9 份公開資料:一份網路百科條目(來源 1)、一家焊料廠的技術文章(來源 2)、兩篇研討會論文(來源 3、5)、兩份公司的技術文章(來源 4、7)、一篇產業網站文章(來源 6)、一個顧問問答節目的逐字稿(來源 8)與一篇期刊論文(來源 9);沒有讀到 J-STD-001、IPC-A-610 或組裝與接合手冊的條文本身,金的上限與除金要求是轉引;讀到的資料都沒有寫出一個標準規定的 IMC 厚度範圍。
- 有立場的來源:來源 2 的作者任職於焊料廠;來源 7 的作者所屬公司提供切片服務,來源 6 的作者與來源 7 同屬一家公司;來源 4 文中提議由業界合作研究脆化問題;來源 8 的兩位主持人來自顧問公司。
- 數字的條件:表 2 是一組試驗(SAC305、OSP 銅墊、0603 電阻、只量板側)的平均值;0.50、0.80、1.25 µm 是另一組試驗,文章沒寫焊錫成分、基材與峰值溫度;錫銀銅比錫鉛稍厚是來源 3 作者的結論,來源 3 的表 3 有一列相反;100 °C 下 20 到 40 天是一份文章引述的報告;1 到 2.5 µm、0.4 到 0.8 µm 是問答節目裡提問者寫讀過的範圍,回答的顧問沒有採用;都不是您的產品該用的值。
- 年代:來源 2 檔案標 2002 年、來源 4 檔案標 2004 年,年代較早,來源 2 談的是錫鉛焊錫;本文用它們說明 IMC 的原理與現象,沒有用它們的數字當作現在的規格。
- 範圍:零件掉落的整體分析、BGA 焊墊的防裂設計、回焊曲線怎麼調、各種表面處理怎麼選,不在這一篇的範圍。
- 本文的整理:階段⑤「報告要附的」,以及圖 1 到圖 3(圖 2 依來源 1、3、4、9,圖 3 依來源 3、9),是本文的整理;其餘句子都能在來源或嘉鴻的頁面找到對應的敘述。
- 嘉鴻能幫的:寫的是嘉鴻工程部的協助範圍;本文沒有連商品頁。
本文為一般情況的整理,不是標準條文的轉述,也不是對某一家焊料廠、設備廠或檢測單位的背書,更不構成對您產品與製程的保證。請以您的產品規範、客戶的可靠度要求、相關標準,以及您自己的驗證為準;此為一般情況,仍需視個案而定。