焊料性质对焊接的影响.doc

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1、焊料性质对焊接的影响1.前言 目前各种形式的合金焊料，其最权威的国际规范为J-STD-006。此文献之最新版本为1996.6的Amendment 1，由于资料很新，故早已取代了先前甚为知名的美国联邦规范QQ-S-571。IPC还有一份重要的焊接手册IPC-HDBK-001其中之4.1，曾定义“熔点”在430以下为“软焊”(Soldering)，也就是锡焊。另熔点在430以上称为 “硬焊”（Brazing），系含银之高温高强度焊接。早期欧美业界，亦称熔点600（315）以下者为软质焊锡，800（427）以上者为硬质焊锡。原文Solder定义为锡铅含金之焊料，故中译从金旁为“焊锡”，而利用高热能进

2、行熔焊之Soldering（注意此一特定之单字，并非只加ing而已），则另从火旁用字眼的“焊接”，两者涵义并不完全相同。2.共熔(晶)焊锡 焊锡焊料（Solder）主要成分为锡与铅，其它少量成分尚有银、铋、铟等，各有不同的熔点（M.P.），但其主要二元合金中以Sn63/Pb37之183为最低，由于其液化熔点（Liquidus Point）与固化熔点（Solidus Point）的往返过程中，均无过渡期间的浆态（pasty）出现，也就是已将较高的“液化熔点”与较低的“固化熔点”两者合而为一，故称为“共熔合金”。且因其粗大结晶内同时出现锡铅两种元素，于是又称为“共晶合金”。此种无杂质合金外表很光亮

3、之“共熔组成”（Eutectic Composition）或“共熔焊锡”（Eutectic Solder），其固化后之组织非常均匀，几无粒子出现。其合金比例之不同将影响到熔点变化，该变化之“平衡相图（Phase Diagram）”，图请参考第12期TPCA会刊。另一种组成接近共熔点的Sn60/Pb40合金，则在电子业界中用途更广，主要原因是Sn较贵，在焊锡性（Solderability）与焊点强度（Joint Strength）几无差异下，减少了3的支出，自然有利于成本的降低。与前者真正共熔合金比较时，此60/40者必须经历少许浆态，故其固化时间稍长，外观也较不亮，但其焊点强度并无不同。不过后

4、者若于其固化过程中受到外力震动时，将出现外表颗粒粗麻之“扰焊”现象（Disturbed）之焊点，甚至还可能发生“缩锡”（Dewetting）之不良情形。3.焊料之特性 除了“焊锡性”好坏会造成生产线的困扰外，“焊点强度” （Joint Strength）更是产品后续生命的重点。但若按材料力学的观点，只针对完工焊料的抗拉强度（Tensile Strength）与抗剪强度（Shear Strength）讨论时，则并不务实。反而是高低温不断变换的长期热循环（Thermal Cycling，又称为热震荡Thermal Shock）过程中，其等焊点由于与被焊物之热胀系数（TCE）不同，而出现塑性变形（P

5、lastic Deformation），再进一步产生潜变（Creep）甚至累积成疲劳（Fatigue）才是重点所在。因此等隐忧迟早会造成焊点破裂（Crack）不可收拾的场面，对焊点之可靠度危害极大。组件的金属引脚与组件本体，及与板面焊垫之间的热胀系数（TCE）并不相同，因而在热循环中一定会产生热应力（Stress）进而也如响应斯的出现应变（Strain），多次热应力之后将再因一再应变而“疲劳”（Fatique），终将使得焊点或封装体发生破裂，此种危机对无脚的SMD组件影响更大。现将常见共熔焊料之一般机械性质整理如下：3.1共熔点63/37的焊料，其常温中的抗拉强度（Tensile Streng

6、th）为7250 PSI，而常见冷轧钢（Cold Rolled Steel）却高达64,000 PSI，但此抗拉强度对焊点强度的影响反不如抗剪强度（Shear Strength）来的大，若加入少量锑后成绩会较好。至于展性（Ductility）与弹性模数（Elastic Modulus）则63/37者均比其它高熔点者二元合金要更好，两合金之导电导热则比纯锡差，且随铅量增加时会呈少许下降。一般63/37者其强度较其它比例更好。多锡者也比多铅者为强。3.2各种比例的锡铅合金焊料，其强度均比单独锡铅金属较好。比重值则随铅量愈多而增大，呈液态时表面张力与合金比例的关系不大。3.3焊点抗潜度（Creep）

7、能力的好坏，对可靠度的重要性将远超过抗拉强度。不幸的是愈接近共晶比例而结晶粒子愈粗大者，其潜变也愈大。而柱状结晶的抗潜变能力也不如等轴结晶（Equiaxial）者。焊点合金在长期的负荷下会出现原子结晶格子（Atom Lattice）的重整；也就是焊点经长时间劣化下，最后终究会发生故障，原因当然是长时间应力而带来过度“应变”而成“疲劳”所致。3.4焊点强弱与助焊剂，焊锡性及IMC有关，由许多试验结果可知，强度与填锡量多少无关，锡量太多反而无益。焊接时间不宜超过5秒，愈久愈糟，焊温也不可太高。4.低温与高温焊锡 上述共熔焊锡之熔点为183，某些对高温敏感的组件而言，其组装时需用到熔点低于183者，

8、称为“低温焊锡”（Low Temperature Solder），其实用配方中需另外加入铋（Bismuth，Bi）与铟（Indium，In）。由于加入此二者所形成的焊料都存在着某些缺点（如强度不足），故量产工业尚无法以取代锡铅之共熔焊料。加入铋之冷却后焊点，不易出现膨胀情形，会对焊点造成额外的应力，此种焊点强度不足的隐忧较焊锡性不良更糟。而铟却由于价格太贵也无进入量产用途。至于高温焊料者则以含银者最常见，现分述于后：4.1含铋焊料含铋焊料除了焊点会稍有膨胀之不良外，尚因其焊温甚低，有时会导致助焊剂无法全然发挥其活性，以致造成缩锡等焊锡性不良问题。再者是含铋时容易氧化，致使焊点强不足。此点对安全

9、用电的保险丝（Fuses）而言尤其重要，一旦氧化后经常会造成该断而未断之情形，安全上将大打折扣。4.2含铟焊料 含铟之焊锡也会有焊点强度不足的烦恼，且价格不十分昂贵，但也具有一些优点，如：(1)沾锡性（Wettability）非常良好。(2)展性（Ductility）良好，可呈现极佳的抗疲劳性（Fatigue Resistance），甚至还优于锡铅之共熔合金。(3)焊接动作与锡铅共熔焊料相比较时，就黄金成份熔入所造成的缺失，则含铟焊点者较为轻微。4.3含银焊料 当零件脚或板面焊垫之表面处理为镀银表面时，则其焊料中若添加少许银份时，则可大大减缓外界银份熔入的缺点。但此等熔点较高的含银焊料通常焊锡

10、性都不好，焊点外表昏暗，机械强度也不足。5.焊料与制程 5.1合金互熔锡铅二元合金之焊料，事实上是锡熔进铅中，而所谓的Solder即是二者之“溶液”而已。高温焊接中板面承垫中的铜份也会融入铅与锡中，也就是铜原子会扩散进入熔融的焊料内，并在焊料与底铜之间形成居中的接口层IMC（Cu6 Sn5），也唯有如此才能真正的焊牢。一但焊垫外表发生铜面氧化物或其它表面污染物时，则会阻止铜份的扩散而无IMC的产生，以致无法焊牢。并出现所谓缩锡（Dewetting）或不沾锡（Non-Wetting）等焊锡性不良的表征。5.2沾锡过程沾锡（Wetting）亦称为Tining，其动作说时迟那时快，首先是高温中助焊剂

11、展现活性（Activity），迅速去除金属焊垫表面的氧化物或污物或有机护铜剂等（如Entek），使熔融的焊锡与底铜（或底镍等其它可焊金属）之间，迅速产生如树根般的一薄层“界面合金共化物”（Inter Matalic Compound Intermetallic Compound Cu6 Sn5），而沾锡及焊牢。在焊点外观上可见到焊料向外向上扩张地盘的动作，其地盘外缘有一种“固/液/气”三相交会处，隐约中似乎出现“蓄势待发”而奔出的小角度，特称之为沾锡性的接触角（Contact Angle ,），亦称为如喷射机般的双反斜角（Dihedral Angle）。此接触角度愈小，则沾锡性或焊锡性也愈好。

12、实际上沾锡力量（Wetting Force）是受到几股力量的影响。下图即为其等力量平衡及冷却后的焊点断面说明，现以浅显易懂的语言配合图面说明诠释(请参考第12期TPCA会刊)。角=双反斜角，接触角，或常说的沾锡角。=接口之间所出现的表面能(Surface Energies)或力量，系指清洁铜面对焊锡金属的亲和力，亦即产生IMC（Cu6 Sn5）时互亲的力量，也就所谓的焊键(Solder Bond)。但铜对铅则不会产生任何亲和力。rsr=地盘外缘固相与汽相之间的力量，即液锡向外扩张时所呈现的附着力(Adhesive Force) 此力量愈大时沾锡角愈小，焊锡性也愈好。rls=液相与地盘内固相之间

13、的亲合力量，必须要先生成IMC时才会表现出力量，且此力几乎是固定不变的。对整体而言此力只会呈现液相本身向内收缩的内聚力(Cohesive Force)，对向外扩张并无助益。rlv=液相与汽相间的力量，此力又可再解析成为垂直分力(rlvsin) 与水平分力(rlvcos); 后者表现得愈大时,沾锡性或焊锡性也愈好。 由图中公式rsr=rls+rlvcos，向外扩张的沾锡力量想要最大时，则其水平分力(rlvcos) 也应最大，也就是角要愈小愈好。当角=0 时，则cos=1,于是向外扩张的沾锡力量rsv也变成最大（亦即焊锡性最好）。 5.3 界面合金共化物IMC 焊接动作之所以能够焊牢，最根本的原因

14、就是焊锡与底金属铜面之间，已产生了IMC(Intermatallic Compound Layer) 之良性接口合金共化物Cu6 Sn5，此种如同树根或家庭中子女般之接口层，正是相互结合力之所在。但IMC有时也会在焊锡主体中发现，且呈现粒状或针状等不同外形。其液态时成长之初的厚度约为0.5-1.0m之间，一旦冷却固化IMC后还会缓缓继续长厚，而且环境温度升高时还将会长的更快，最好不要超2m。久了之后在原先Cu6,Sn5 之phase(注为希腊字母，读做Eta)良性IMC，与底铜之间还会另外生出一层恶性-phase(注: 读做Epsilon) 的Cu3 Sn. 此恶性者与原先良性者本质上完全不同

15、，一旦-phase出现后其焊点强度即将渐趋劣化，脆性逐渐增加，IMC本身松弛，甚至整体焊点逐渐出现脱裂浮离等生命终期的到来。 一般IMC的性质与所组成的金属完全不同，常呈现脆性高、导电差，且很容易钝化或氧化等进一步毁坏之境界。并具有强烈惰性顽性，一般助焊剂均无法加以清除。常见之IMC除了铜锡之间者，尚有锡镍、锡银、与锡金甚至锡铁等IMC，其等后续平均成长之速度与活化能等比较列表如下： 各种IMC后续平均成长速率之比较IMC种类（焊温中初生）IMC示性式扩散系数(m2/s)活化能(J/mol)Cu/Sn铜/锡(接近共熔组成者)Cu6Sn5,Cu3Sn 110680,000Ni/Sn 镍锡Ni3S

16、n2,Ni3Sn4,Ni3Sn210768,000Fe/Sn铁锡 FeSn,FESn2 210962,000Au/Sn金锡AuSn,AuSn2,AuSn4310473,000Ag/Sn银锡Ag3Sn 810964,000 要注意的是上述铜锡之间IMC的成长情形，系针对其共熔组成的焊料(63/67)而言，其它锡铅比合金对铜生长IMC的速率，则又有不同；但其扩散的过程都是来自底铜中的铜原子而向焊锡中逐渐渗入，且随周遭温度之上升而加速。 5.4焊点之微结构 锡与铅此二元合金（Binary Alloy）会以任何比例形成各种协调的合金，而其共熔点（Eutectic point）Sn63/pb37 之合金

17、，若仔细观察时会呈现一种多铅溶入锡中的一种固溶体(Solid Solution)。若其熔融液态合金慢慢冷却时，会形成一种粗大结晶(Coarse-Grained)状的合金晶粒，且在结晶中会同时出现两种元素故称为“共晶”，但在其它重量比之各种组成则所见不多。其实此种粗大的结晶对焊点强度反而不好，必须具备“细晶”(Fine-grained)的结构者，其强度(strength)与抗疲劳性(Fatigue-resistance)才会更好。不过后续遭遇其它高温的机会也还能改变上述的粗大结晶。至于其它不同成份的焊锡，其结晶组织也各有不同。当组成离开共晶点而往铅方向移动者，其合金将呈现展性(Ductility

18、)增加及抗潜变(Creep)降低之情形。当朝向锡方向前进时；则抗潜变与硬度都会少许增加。 但当合金组成变为Sn96/Pb4 时，则将成为一种单相的焊锡合金。其结构已不再随温度循环以及热遭遇(Thermal Exposure)而改变，故强度反而提高，展性减少，抗潜变能力也更好，抗疲劳性也增强。然而在PCBA无法忍受太高焊温的现实下，故只好仍沿用接近熔点较低的共晶点焊锡，表面黏装组件(SMD)尤其如此。为了挽救其焊点强度之不足，还可采行下列补强性的措施：减少板面焊垫与零件以及焊点三者之间热胀系数的落差。 选择适当的焊点外形以减少应力及应变。 放弃无引脚的组件，采用伸脚或勾脚者，以缓冲胀缩的差异。

19、选择适宜合金比率的焊料。 业界早期曾使用过一种颇为清洁的“蒸气焊接”（Vapor Soldering）制程，即因其焊点结晶十分粗糙而强度不足，再加上其它原因，目前已被淘汰。5.5焊点的后续故障Solder Joint Failure一旦引脚、焊点合金、与焊垫 (即板材)三种焊接单元之热胀系数无法吻合匹配时，则经过高低温多次变化中，其焊点会因涨缩之疲劳而逐渐发生故障，会因潜变而导致焊点的破裂。Sn63/Pb37之共晶合金由于结晶粗糙，故其耐疲劳性并不好。但若刻意加入2%的银而成为Sn62/Ag2/Pb36者，则其抗拉强度与抗潜变强度都会有极大的改善。在许多前人对各种焊锡合金的研究中发现，Sn96

20、/Ag4 之合金具有最坚强的耐疲劳特性，且经过美国政府与民间过去20年对焊点的研究告(ISBN 0-87339-166-7)指出，焊点故障的主因就是温度变化所造成的“疲劳”(Fatigue)故障。许多完工的组装板，即使放在货架上而并未实际使用，经历一段时间的日夜温度变化下，就会发现一些通电不良的焊点故障情形。凡三种参与焊接之单元间其热胀系数落差愈大者，则焊点愈容易发生故障。反之则不易出现故障，故规范中所强调的高低温热循环试验(Thermal Cycling Test, -55,15分+125,15分，共执行100次)，就是最能接近事实的可靠度试验。 此外，焊点合金在长期负荷下，还容易发生“潜变

21、”(Creep)，这是一种“塑流”(Plastic Flow)所造成的压力纹裂(Stress Rupture)，故组件愈重者愈糟糕(如板面上所装的变压器就是)，需另做其它如螺丝等之补强措施才行。而Sn63/Pb37的抗潜变强度又低于其抗拉强度，且高温中连接的成绩更差，如125时前者只有1.4-3.4 Mpa 而已。6.锡膏 Solder Paste Or Solder Cream 6.1.概况目前电子业用于SMT熔焊（Reflow）的锡膏规范，现行者为JSTD005（1995.1.）已取代著名的美国联邦规范QQS571，而下一代新版本的JSTD005A亦正在修订中。“锡膏”顾名思义是将零件脚（

22、不管是伸脚、勾脚或BGA用的球脚等）以其黏着力（Tack Force）暂时加位定位，再经高温使熔焊成为焊点之特殊焊料是也。锡膏的组成是由锡铅合金的小粒微球（正式称焊锡粉Solder Powder），再混以特殊高黏度的助焊膏混合物（称为助焊性黏合剂Flux Binder）而成灰色的膏体，可供印刷黏着或其它方式施工，而在板面焊垫上予以适量分布配给，做为多点同时熔焊的焊料用途。锡膏本身是一种多相的“非牛顿流体”（指流速不受外力与黏度的支配而受到剪率（Shear Rate）的主宰，如蕃茄酱即是），其中含有特殊专密的（Propritary）“抗垂流剂”（Thixotropic Agent，又称为摇变剂）

23、，使锡膏具有可顺利印刷以及着落在定点后，即不再轻易流动的特性，以防止密垫之间的相互垂流而坍塌。其中所加入的助焊剂需不可具有腐蚀性，并以容易清洗清除为原则。目前“免洗”的流行，故熔焊后焊点附近所被逐出的有机物，亦需对整体组装品无害才行。6.2.锡粉Solder Powder 锡粉系由熔融的液态焊锡，经由喷雾（Atomizing）或自转甩出于氮气中，再经冷却坠落及筛除掉一些长形或不规则状的粒子，而得到尽量要求大小一致的球体。为刻意方便印刷中的流动及印着点的堆积实在起见，各种等级的锡膏中，其球径大小之百分比分配也各有不同，但主球体重量比值在8292之间，当然各种小粒焊球的成份必须保持稳定一致，则是无

24、庸置疑的事。不过经分析Sn63Pb37的焊粒后，事实上还是会发现纯锡或是Sn10Pb90等不同成份的小球存在，这可能是供货商刻意为调整特殊需求而加入的。再者锡粉表面难免不会氧化，“表面积体积”比值愈大者则氧化机会也愈大。氧物物当然不利于熔焊的进行，而且还容易引发溅出而形成焊后的不良锡球。又当锡粉之粒径及外形相差过于悬殊时，对网版或钢板印刷甚至注射法的施工都很不利，常会造成出口的堵塞（Log jams）。不过经验中也曾学习到锡粉中还须备有着某种“不均匀外形”者之比率存在，如此方可减少熔焊前预热中锡膏的坍塌（Slump），当然最好还是由Binder来控制此种缺陷才是正途。总之锡粉的球状均匀度（Un

25、iformity Sphere）已经成为品管的要项之一了。 6.3.锡粉粒径的选择当锡膏中的锡粉粒子愈小时，其形成焊点后向外逸出不良锡球之机会也就愈大。此乃因其“表面积体积”的比值愈大时，也需要较多的助焊剂以减少其氧化，因而一些较小粒子者（15m以下）就很容易在熔焊时从主体中被“冲挤”出来。故各型锡膏配置时必须订定其选用粒径大小（Particle size），与其重量百分比的分配（Size Distribution）两种参数，以适应印刷时开口的大小及减少不良锡球的产生。 下二表即JSTD005中6种型别锡膏的锡粉粒经与分配情形 表：按标称粒度重量百分比所组成之三种粗粒锡膏膏型Type粒度之上限

26、大粒度之粒径者(须在1以下)正确粒度范围者(须在80以上)较小粒度者(须在10以下)1160Microns150Microns150-175Microns20Microns280Microns75Microns75-45Microns20Microns350Microns45Microns45-25Microns20Microns 表：按标准粒度重量百分比所组成之三种细粒锡膏膏型Type粒度之上限大粒度之粒径者(须在1以下)正确粒度范围者(须在80以上)较小粒度者(须在10以下)140Microns38Microns38-20Microns20Microns230Microns25Micron

27、s25-15Microns15Microns320Microns15Microns15-5Microns5Microns 6.4.锡膏中有机物的影响 锡膏的黏度太低时，不但所印膏体定位困难（至少保持23小时不变形），且很容易造成坍塌及熔焊后的搭桥短路。由于其黏度又与环境温度有直接的关系，故未操作使用时，应储存在冰箱中（还可防止吸湿）。从实验结果得知，每上升4时其黏度值即下降10。因而锡膏的印刷及零件的放置区，其室温的降低及稳定是何等重要了。且零件放置前及引脚黏妥后的预热温度与时间均不宜过头，以减短路与锡球的发生。再者溶剂含量也是造成不良锡球原因之一，溶剂太多自然容易出现搭桥。而当助焊剂之软化点

28、（Softtening Point）太低时搭桥比例也会增大；但若其软化点太高时则分子量必大，在内聚力加强之下，将使之不易分散及清洗。 6.5熔焊中锡球的烦恼早先流行清洗的年代，锡膏熔焊后发生锡球的烦恼尚不很严重，只要体积不是太小（5mil以上），引脚密度不是太密者都可以被冲洗干净。然而自从服膺环保的要求，推动“免洗”制程之下，焊熔后大小锡球都成了痛苦的梦魇。究其原因而着手解决数种办法不少，现介绍一些实用者如下：(1)锡膏印着量太多或印着位置偏移，以致造成溅出者；可从减小开口面积或减薄铜板厚度，以改善对准度方面带来的锡球。(2)锡膏中溶剂太多，或吸水后黏度降低（应降低印刷现场的湿度与锡膏在铜板上停留的时间）造成熔合时溅出，减少其溶剂与吸水即可。(3)配方中较小粒径的锡粉太多，一旦未及熔合成为主体者即可能被排除在外而成锡球。(4)氧化物太多或灰尘之吸附，造成焊锡性不良。在不易熔合成主体下，即有部分会飞散出去。(5)预热过度常造成氧化增加、黏度降低；须认真作实验选出最好的升温曲线。或因事先放置零件时，踩脚力量过大也会造成锡球。(6)板面绿漆硬化不足，造成溅锡之容易附着。可采棉花棒沾二氯甲烷去擦拭绿漆表面，观察是否掉色即大概知晓绿漆的硬化情形。(7)电路板SMT焊垫之表面处理层（如喷锡、OSP护铜剂、化镍、浸金、与浸银或浸锡等），其等状况也会影响到锡球的多寡、其中以喷锡板的锡球较多。