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1、SMT 机器SMT 是表面组装技术（表面贴装技术） （Surface Mounted Technology 的缩写） ，是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。目录SMT 有何特点为什么要用 SMT SMT 基本工艺构成要素印刷：点胶：贴装：固化：回流焊接：清洗：检测：返修： SMT 之 IMC 一、定义二、一般性质三、焊锡性与表面能四、锡铜介面合金共化物的生成与老化五、锡铜 IMC 的老化六、锡金 IMC七、锡银 IMC八、锡镍 IMC九、结论 SMT 常用知识简介常用知识简介在 IT 行业的解释：展开SMT 有 何 特 点组 装 密 度 高 、 电 子 产 品 体 积 小 、 重 量

2、轻 ， 贴 片 元 件 的 体 积 和 重 量 只 有 传 统 插 装 元 件的 1/10左 右 ， 一 般 采 用 SMT 之 后 ， 电 子 产 品 体 积 缩 小 40%60%， 重 量 减 轻 60%80%。可 靠 性 高 、 抗 振 能 力 强 。 焊 点 缺 陷 率 低 。 高 频 特 性 好 。 减 少 了 电 磁 和 射 频干 扰 。 易 于 实 现 自 动 化 ， 提 高 生 产 效 率 。 降 低 成 本 达 30%50%。 节 省 材 料 、能 源 、 设 备 、 人 力 、 时 间 等 。 为 什 么 要 用 SMT电 子 产 品 追 求 小 型 化 ， 以 前 使 用

3、 的 穿 孔 插 件 元 件 已 无 法 缩 小 。 电 子 产 品 功能 更 完 整 ， 所 采 用 的 集 成 电 路 (IC)已 无 穿 孔 元 件 ， 特 别 是 大 规 模 、 高 集 成 IC， 不 得不 采 用 表 面 贴 片 元 件 。 产 品 批 量 化 ， 生 产 自 动 化 ， 厂 方 要 以 低 成 本 高 产 量 ， 出 产优 质 产 品 以 迎 合 顾 客 需 求 及 加 强 市 场 竞 争 力 电 子 元 件 的 发 展 ， 集 成 电 路 (IC)的开 发 ， 半 导 体 材 料 的 多 元 应 用 。 电 子 科 技 革 命 势 在 必 行 ， 追 逐 国 际

4、 潮 流 。 SMT 基 本 工 艺 构 成 要 素印 刷 （ 或 点 胶 ） 贴 装 （ 固 化 ） 回 流 焊 接 清 洗 检 测 返 修 印 刷 ：其 作 用 是 将 焊 膏 或 贴 片 胶 漏 印 到 PCB 的 焊 盘 上 ， 为 元 器 件 的 焊 接 做 准 备 。 所 用设 备 为 印 刷 机 SMT 加 工 车 间（ 锡 膏 印 刷 机 ） ， 位 于 SMT 生 产 线 的 最 前 端 。 点 胶 ：因 现 在 所 用 的 电 路 板 大 多 是 双 面 贴 片 ， 为 防 止 二 次 回 炉 时 投 入 面 的 元 件 因 锡 膏 再 次熔 化 而 脱 落 ， 故 在 投

5、 入 面 加 装 点 胶 机 ， 它 是 将 胶 水 滴 到 PCB 的 固 定 位 置 上 ， 其 主 要作 用 是 将 元 器 件 固 定 到 PCB 板 上 。 所 用 设 备 为 点 胶 机 ， 位 于 SMT 生 产 线 的 最 前 端或 检 测 设 备 的 后 面 。 有 时 由 于 客 户 要 求 产 出 面 也 需 要 点 胶 ， 而 现 在 很 多 小 工 厂 都 不用 点 胶 机 ， 若 投 入 面 元 件 较 大 时 用 人 工 点 胶 。 贴 装 ：其 作 用 是 将 表 面 组 装 元 器 件 准 确 安 装 到 PCB 的 固 定 位 置 上 。 所 用 设 备 为

6、 贴 片 机 ，位 于 SMT 生 产 线 中 印 刷 机 的 后 面 。 固 化 ：其 作 用 是 将 贴 片 胶 融 化 ， 从 而 使 表 面 组 装 元 器 件 与 PCB 板 牢 固 粘 接 在 一 起 。 所用 设 备 为 固 化 炉 ， 位 于 SMT 生 产 线 中 贴 片 机 的 后 面 。 回 流 焊 接 ：其 作 用 是 将 焊 膏 融 化 ， 使 表 面 组 装 元 器 件 与 PCB 板 牢 固 粘 接 在 一 起 。 所 用 设 备为 回 流 焊 炉 ， 位 于 SMT 生 产 线 中 贴 片 机 的 后 面 。 清 洗 ：其 作 用 是 将 组 装 好 的 PCB

7、 板 上 面 的 对 人 体 有 害 的 焊 接 残 留 物 如 助 焊 剂 等 除 去 。所 用 设 备 为 清 洗 机 ， 位 置 可 以 不 固 定 ， 可 以 在 线 ， 也 可 不 在 线 。 检 测 ：其 作 用 是 对 组 装 好 的 PCB 板 进 行 焊 接 质 量 和 装 配 质 量 的 检 测 。 所 用 设 备 有 放 大 镜 、显 微 镜 、 在 线 测 试 仪 （ ICT） 、 飞 针 测 试 仪 、 自 动 光 学 检 测 （ AOI） 、 X-RAY 检 测 系 统 、功 能 测 试 仪 等 。 位 置 根 据 检 测 的 需 要 ， 可 以 配 置 在 生 产

8、 线 合 适 的 地 方 。 返 修 ：其 作 用 是 对 检 测 出 现 故 障 的 PCB 板 进 行 返 工 。 所 用 工 具 为 烙 铁 、 返 修 工 作 站 等 。配 置 在 生 产 线 中 任 意 位 置 。 SMT 之 IMCIMC 系 Intermetallic compound 之 缩 写 ， 笔 者 将 之 译 为 介 面 合 金 共 化 物 。 广义 上 说 是 指 某 些 金 属 相 互 紧 密 接 触 之 介 面 间 ， 会 产 生 一 种 原 子 迁 移 互 动 的 行 为 ， 组 成 一层 类 似 合 金 的 化 合 物 ， 并 可 写 出 分 子 式 。 在

9、 焊 接 领 域 的 狭 义 上 是 指 铜 锡 、 金 锡 、 镍锡 及 银 锡 之 间 的 共 化 物 。 其 中 尤 以 铜 锡 间 之 良 性 Cu6Sn5(Eta Phase)及 恶 性Cu3Sn(Epsilon Phase)最 为 常 见 ， 对 焊 锡 性 及 焊 点 可 靠 度 (即 焊 点 强 度 )两 者 影 响 最 大 ，特 整 理 多 篇 论 文 之 精 华 以 诠 释 之 一 、 定 义能 够 被 锡 铅 合 金 焊 料 (或 称 焊 锡 Solder)所 焊 接 的 金 属 ， 如 铜 、 镍 、 金 、 银 等 ， 其焊 锡 与 被 焊 盘 金 属 之 间 ， 在

10、 高 温 中 会 快 速 形 成 一 薄 层 类 似 锡 合 金 的 化 合 物 。 此 物 起源 于 锡 原 子 及 被 焊 金 属 原 子 之 相 互 结 合 、 渗 入 、 迁 移 、 及 扩 散 等 动 作 ， 而 在 冷 却 固 化 之后 立 即 出 现 一 层 薄 薄 的 共 化 物 ， 且 事 后 还 会 逐 渐 成 长 增 厚 。 此 类 物 质 其 老 化 程 度 受到 锡 原 子 与 底 金 属 原 子 互 相 渗 入 的 多 少 ， 而 又 可 分 出 好 几 道 层 次 来 。 这 种 由 焊 锡 与 其 被焊 金 属 介 面 之 间 所 形 成 的 各 种 共 合 物

11、 ， 统 称 Intermetallic Compound 简 称 IMC， 本文 中 仅 讨 论 含 锡 的 IMC， 将 不 深 入 涉 及 其 他 的 IMC。 二 、 一 般 性 质由 于 IMC 曾 是 一 种 可 以 写 出 分 子 式 的 准 化 合 物 ， 故 其 性 质 与 原 来 的 金 属 已 大不 相 同 ， 对 整 体 焊 点 强 度 也 有 不 同 程 度 的 影 响 ， 首 先 将 其 特 性 简 述 于 下 ： IMC 在 PCB 高 温 焊 接 或 锡 铅 重 熔 (即 熔 锡 板 或 喷 锡 )时 才 会 发 生 ， 有 一 定 的 组 成 及 晶 体结 构

12、 ， 且 其 生 长 速 度 与 温 度 成 正 比 ， 常 温 中 较 慢 。 一 直 到 出 现 全 铅 的 阻 绝 层 (Barrier)才 会 停 止 (见 图 六 )。 IMC 本 身 具 有 不 良 的 脆 性 ， 将 会 损 及 焊 点 之 机 械 强 度 及 寿命 ， 其 中 尤 其 对 抗 劳 强 度 (Fatigue Strength)危 害 最 烈 ， 且 其 熔 点 也 较 金 属 要 高 。 由 于 焊 锡 在 介 面 附 近 得 锡 原 子 会 逐 渐 移 走 ， 而 与 被 焊 金 属 组 成 IMC， 使 得 该 处 的锡 量 减 少 ， 相 对 的 使 得 铅

13、 量 之 比 例 增 加 ， 以 致 使 焊 点 展 性 增 大 (Ductillity)及 固 着 强 度降 低 ， 久 之 甚 至 带 来 整 个 焊 锡 体 的 松 弛 。 一 旦 焊 垫 商 原 有 的 熔 锡 层 或 喷 锡 层 ，其 与 底 铜 之 间 已 出 现 较 厚 间 距 过 小 的 IMC 后 ， 对 该 焊 垫 以 后 再 续 作 焊 接 时 会 有 很大 的 妨 碍 ； 也 就 是 在 焊 锡 性 (Solderability)或 沾 锡 性 (Wettability)上 都 将 会 出 现 劣 化 的情 形 。 焊 点 中 由 于 锡 铜 结 晶 或 锡 银 结 晶

14、 的 渗 入 ， 使 得 该 焊 锡 本 身 的 硬 度 也 随之 增 加 ， 久 之 会 有 脆 化 的 麻 烦 。 IMC 会 随 时 老 化 而 逐 渐 增 厚 ， 通 常 其 已 长 成的 厚 度 ， 与 时 间 大 约 形 成 抛 物 线 的 关 系 ， 即 ： k t， k k exp( Q/RT) 表 示 t 时 间 后 IMC 已 成 长 的 厚 度 。 K 表 示 在 某 一 温 度 下 IMC 的 生 长 常 数 。T 表 示 绝 对 温 度 。 R 表 示 气 体 常 数 ， 即 8.32 J/mole。 Q 表 示IMC 生 长 的 活 化 能 。 K IMC 对 时

15、间 的 生 长 常 数 ， 以 nm / 秒 或 m / 日 ( 1m / 日 3.4nm / 秒 。 现 将 四 种 常 见 含 锡 的 IMC 在 不 同 温 度 下 ， 其生 长 速 度 比 较 在 下 表 的 数 字 中 ： 表 1 各 种 IMC 在 不 同 温 度 中 之 生 长 速 度 (nm / s) 金 属 介 面 20 100 135 150 170 1. 锡 / 金 40 2. 锡 / 银 0.08 17-35 3. 锡 / 镍 0.08 1 5 4. 锡 / 铜 0.26 1.4 3.8 10 注 在 170高 温 中 铜 面 上 ， 各 种 含 锡 合 金 IMC 层

16、 的 生 长 速 率 ， 也 有 所 不 同 ； 如 热 浸 锡 铅为 5nm/s， 雾 状 纯 锡 镀 层 为 7.7(以 下 单 位 相 同 )， 锡 铅 比 30/70的 皮 膜 为 11.2， 锡铅 比 70/30的 皮 膜 为 12.0， 光 泽 镀 纯 锡 为 3.7， 其 中 以 最 后 之 光 泽 镀 锡 情 况 较 好 。 三 、 焊 锡 性 与 表 面 能若 纯 就 可 被 焊 接 之 金 属 而 言 ， 影 响 其 焊 锡 性 (Solderability)好 坏 的 机 理 作 用 甚 多 ，其 中 要 点 之 一 就 是 表 面 自 由 能 (Surface Free

17、 Energy， 简 称 时 可 省 掉 Free)的 大小 。 也 就 是 说 可 焊 与 否 将 取 决 于 ： (1) 被 焊 底 金 属 表 面 之 表 面 能 (Surface Energy)， (2) 焊 锡 焊 料 本 身 的 表 面 能 等 二 者 而 定 。 凡 底 金 属 之 表 面能 大 于 焊 锡 本 身 之 表 面 能 时 ， 则 其 沾 锡 性 会 非 常 好 ， 反 之 则 沾 锡 性 会 变 差 。 也 就 是 说 当底 金 属 之 表 面 能 减 掉 焊 锡 表 面 能 而 得 到 负 值 时 ， 将 出 现 缩 锡 (Dewetting)， 负 值 愈 大则

18、 焊 锡 愈 差 ， 甚 至 造 成 不 沾 锡 (Non-Wetting)的 恶 劣 地 步 。 新 鲜 的 铜 面 在 真 空 中测 到 的 表 面 能 约 为 1265达 因 /公 分 ， 63/37的 焊 锡 加 热 到 共 熔 点 (Eutectic Point 183)并 在 助 焊 剂 的 协 助 下 ， 其 表 面 能 只 得 380达 因 /公 分 ， 若 将 二 者 焊 一 起 时 ， 其 沾锡 性 将 非 常 良 好 。 然 而 若 将 上 述 新 鲜 洁 净 的 铜 面 刻 意 放 在 空 气 中 经 历 2小 时 后 ， 其 表面 能 将 会 遽 降 到 25达 因

19、/公 分 ， 与 380相 减 不 但 是 负 值 (-355)， 而 且 相 去 甚 远 ， 焊 锡 自然 不 会 好 。 因 此 必 须 要 靠 强 力 的 助 焊 剂 除 去 铜 面 的 氧 化 物 ， 使 之 再 活 化 及 表 面 能 之 再 次提 高 ， 并 超 过 焊 锡 本 身 的 表 面 能 时 ， 焊 锡 性 才 会 有 良 好 的 成 绩 。 四 、 锡 铜 介 面 合 金 共 化 物 的 生 成 与 老 化当 熔 融 态 的 焊 锡 落 在 洁 铜 面 的 瞬 间 ， 将 会 立 即 发 生 沾 锡 (Wetting 俗 称 吃 锡 )的 焊接 动 作 。 此 时 也

20、立 即 会 有 锡 原 子 扩 散 (Diffuse)到 铜 层 中 去 ， 而 铜 原 子 也 同 时 会 扩 散 进入 焊 锡 中 ， 二 者 在 交 接 口 上 形 成 良 性 且 必 须 者 Cu6Sn5的 IMC， 称 为 -phase(读 做Eta 相 )， 此 种 新 生 准 化 合 物 中 含 锡 之 重 量 比 约 占 60%。 若 以 少 量 的 铜 面 与 多 量 焊锡 遭 遇 时 ， 只 需 3-5秒 钟 其 IMC 即 可 成 长 到 平 衡 状 态 的 原 度 ， 如 240的 0.5m 到340的 0.9m。 然 而 在 此 交 会 互 熔 的 同 时 ， 底 铜

21、 也 会 有 一 部 份 熔 进 液 锡 的 主 体 锡 池 中 ，形 成 负 面 的 污 染 。 (a) 最 初 状 态 ： 当 焊 锡 着 落 在 清 洁 的 铜 面 上 将 立 即 有 -phase Cu6Sn5生 成 ， 即 图 中 之 (2)部 分 。 (b) 锡 份 渗 耗 期 ： 焊 锡 层 中 的 锡 份 会 不断 的 流 失 而 渗 向 IMC 去 组 新 的 Cu6Sn5， 而 同 时 铜 份 也 会 逐 渐 渗 向 原 有 的 -phase层 次 中 而 去 组 成 新 的 Cu3Sn， 即 图 中 之 (5)。 此 时 焊 锡 中 之 锡 量 将 减 少 ， 使 得 铅

22、 量 在比 例 上 有 所 增 加 ， 若 于 其 外 表 欲 再 行 焊 接 时 将 会 发 生 缩 锡 。 (c) 多 铅 之 阻 绝 层 ：当 焊 锡 层 中 的 锡 份 不 断 渗 走 再 去 组 成 更 厚 的 IMC 时 ， 逐 渐 使 得 本 身 的 含 铅 比 例 增 加 ，最 后 终 于 在 全 铅 层 的 挡 路 下 阻 绝 了 锡 份 的 渗 移 。 (d) IMC 的 曝 露 ： 由 于 锡 份 的 流失 ， 造 成 焊 锡 层 的 松 散 不 堪 而 露 出 IMC 底 层 ， 而 终 致 到 达 不 沾 锡 的 下 场 (Non-wetting)。 高 温 作 业

23、后 经 长 时 老 化 的 过 程 中 ， 在 Eta-phase 良 性 IMC 与 铜 底 材之 间 ， 又 会 因 铜 量 的 不 断 渗 入 Cu6Sn5中 ， 而 逐 渐 使 其 局 部 组 成 改 变 为 Cu3Sn 的 恶性 -phase(又 读 做 Epsilon 相 )。 其 中 铜 量 将 由 早 先 -phase 的 40%增 加 到 -phase的 66%。 此 种 老 化 劣 化 之 现 象 ， 随 着 时 间 之 延 长 及 温 度 之 上 升 而 加 剧 ， 且 温 度 的 影 响 尤其 强 烈 。 由 前 述 表 面 能 的 观 点 可 看 出 ， 这 种 含

24、铜 量 甚 高 的 恶 性 -phase， 其 表 面能 的 数 字 极 低 ， 只 有 良 性 -phase 的 一 半 。 因 而 Cu3Sn 是 一 种 对 焊 锡 性 颇 有 妨 碍 的IMC。 然 而 早 先 出 现 的 良 性 -phase Cu6Sn5， 却 是 良 好 焊 锡 性 必 须 的 条 件 。没 有 这 种 良 性 Eta 相 的 存 在 ， 就 根 本 不 可 能 完 成 良 好 的 沾 锡 ， 也 无 法 正 确 的 焊 牢 。 换言 之 ， 必 需 要 在 铜 面 上 首 先 生 成 Eta-phase 的 IMC， 其 焊 点 才 有 强 度 。 否 则 焊

25、锡 只 是在 附 着 的 状 态 下 暂 时 冷 却 固 化 在 铜 面 上 而 已 ， 这 种 焊 点 就 如 同 大 树 没 有 根 一 样 ， 毫 无 强度 可 言 。 锡 铜 合 金 的 两 种 IMC 在 物 理 结 构 上 也 不 相 同 。 其 中 恶 性 的 -phase(Cu3Sn)常 呈 现 柱 状 结 晶 (Columnar Structure)， 而 良 性 的 -phase(Cu6Sn5)却 是 一 种 球 状 组织 (Globular)。 下 图 8此 为 一 铜 箔 上 的 焊 锡 经 长 时 间 老 化 后 ， 再 将 其 弯 折 磨 平 抛 光 以 及微 蚀

26、后 ， 这 在 SEM2500倍 下 所 摄 得 的 微 切 片 实 像 ， 两 IMC 的 组 织 皆 清 晰 可 见 ， 二 者之 硬 度 皆 在 500微 硬 度 单 位 左 右 。 在 IMC 的 增 厚 过 程 中 ， 其 结 晶 粒 子 (Grains)也 会 随 时 在 变 化 。 由 于 粒 度 的 变 化 变 形 ， 使 得 在 切 片 画 面 中 量 测 厚 度 也 变 得 比 较 困 难 。一 般 切 片 到 达 最 后 抛 光 完 成 后 ， 可 使 用 专 门 的 微 蚀 液 (NaOH 50/gl， 加 1， 2-Nitrphenol 35ml/l， 70下 操 作

27、 )， 并 在 超 声 波 协 助 下 ， 使 其 能 咬 出 清 晰 的 IMC 层 次 ，而 看 到 各 层 结 晶 解 里 面 的 多 种 情 况 。 现 将 锡 铜 合 金 的 两 种 IMC 性 质 比 较 如 下 ： 两 种 锡 铜 合 金 IMC 的 比 较 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 -phase(Eta) Cu6Sn5 60% 高 温 融 锡 沾 焊 到 清 洁 铜 面 时 立 即 生 成 介 于 焊 锡 或 纯 锡 与 铜 之 间 的 介 面 白 色 球 状 组 织 良 性 IMC 微 焊接 强

28、度 之 必 须 甚 高 -phase(Epsilon) Cu3Sn 30% 焊 后 经 高 温 或 长 期 老 化 而 逐 渐发 生 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 ,非 常 有 趣 的 是 ， 单 纯 Cu6Sn5的 良 性IMC， 虽 然 分 子 是 完 全 相 同 ， 但 当 生 长 环 境 不 同 时 外 观 却 极 大 的 差 异 。 如 将 清 洁 铜 面 热浸 于 熔 融 态 的 纯 锡 中 ， 此 种 锡 量 与 热 量 均 极 度 充 足 下 ， 所 生 成

29、 的 Eta 良 性 IMC 之 表面 呈 鹅 卵 石 状 。 但 若 改 成 锡 铅 合 金 (63/37)之 锡 膏 与 热 风 再 铜 面 上 熔 焊 时 ， 亦 即 锡 量 与热 量 不 太 充 足 之 环 境 ， 居 然 长 出 另 一 种 一 短 棒 状 的 IMC 外 表 (注 意 铜 与 铅 是 不 会 产 生IMC 的 ， 且 两 者 之 对 沾 锡 (wetting)与 散 锡 (Spreading)的 表 现 也 截 然 不 同 。 再 者 铜 锡 之IMC 层 一 旦 遭 到 氧 化 时 ， 就 会 变 成 一 种 非 常 顽 强 的 皮 膜 ， 即 使 薄 到 5层

30、原 子 厚 度 的1.5nm， 再 猛 的 助 焊 剂 也 都 奈 何 不 了 它 。 这 就 是 为 什 么 PTH 孔 口 锡 薄 处 不 易 吃 锡 的原 因 (C.Lea 的 名 着 A scientific Guide to SMT 之 P.337有 极 清 楚 的 说 明 )， 故 知 焊 点之 主 体 焊 锡 层 必 须 稍 厚 时 ， 才 能 尽 量 保 证 焊 锡 性 于 不 坠 。 事 实 上 当 沾 锡 (Wetting)之初 ， 液 锡 以 很 小 的 接 触 角 (Contact Angle)高 温 中 迅 速 向 外 扩 张 (Spreading)地 盘 的 同时

31、， 也 另 在 地 盘 内 的 液 锡 和 固 铜 之 间 产 生 交 流 ， 而 向 下 扎 根 生 成 IMC， 热 力 学 方 式之 步 骤 ， 即 在 说 明 其 假 想 动 作 的 细 节 。 五 、 锡 铜 IMC 的 老 化由 上 述 可 知 锡 铜 之 间 最 先 所 形 成 的 良 性 -phase(Cu6Sn5)， 已 成 为 良 好 焊 接 的 必要 条 件 。 唯 有 这 IMC 的 存 在 才 会 出 现 强 度 好 的 焊 点 。 并 且 也 清 楚 了 解 这 种 良 好 的IMC 还 会 因 铜 的 不 断 侵 入 而 逐 渐 劣 化 ， 逐 渐 变 为 不 良

32、 的 -phase(Cu3Sn)。 此 两 种IMC 所 构 成 的 总 厚 度 将 因 温 度 上 升 而 加 速 长 厚 ， 且 与 时 俱 增 。 下 表 3.即 为 各 种 状 况 下所 测 得 的 IMC 总 厚 度 。 凡 其 总 IMC 厚 度 愈 厚 者 ， 对 以 后 再 进 行 焊 接 时 之 焊 锡 性 也 愈差 。 表 3. 不 铜 温 度 中 锡 铜 IMC 之 不 同 厚 度 所 处 状 况 IMC 厚 度 (mils) 熔 锡 板 (指 炸 油 或 IR) 0.030.04 喷 锡 板 0.020.037 170中 烤 24小 时 0.22以 上 125中 烤 2

33、4小 时 0.046 70中 烤 24小 时 0.017 70中 存 贮40天 0.05 30中 存 贮 2年 0.05 20中 存 贮 5年 0.05 组 装 之 单 次 焊 接后 0.010.02 图 12. 锡 铜 IMC 的 老 化 增 厚 ， 除 与 时 间 的 平 方 根 成 比 例 关 系 外 ，并 受 到 环 境 温 度 的 强 烈 影 响 ， 在 斜 率 上 有 很 大 的 改 变 。 在 IMC 老 化 过 程 中 ， 原来 锡 铅 层 中 的 锡 份 不 断 的 输 出 ， 用 与 底 材 铜 共 组 成 合 金 共 化 物 ， 因 而 使 得 原 来 镀 锡 铅 或喷

34、锡 铅 层 中 的 锡 份 逐 渐 减 少 ， 进 而 造 成 铅 份 在 比 例 上 的 不 断 增 加 。 一 旦 当 IMC 的 总厚 度 成 长 到 达 整 个 锡 铅 层 的 一 半 时 ， 其 含 锡 量 也 将 由 原 来 的 60%而 降 到 40%， 此 时其 沾 锡 性 的 恶 化 当 然 就 不 言 而 喻 。 并 由 底 材 铜 份 的 无 限 量 供 应 ， 但 表 层 皮 膜 中 的 锡 量 却愈 来 愈 少 ， 因 而 愈 往 后 来 所 形 成 的 IMC， 将 愈 趋 向 恶 性 的 Cu3Sn。 且 请 务 必 注意 ， 一 旦 环 境 超 过 60时 ，

35、即 使 新 生 成 的 Cu6Sn5也 开 始 转 变 长 出 Cu3Sn 来 。 一旦 这 种 不 良 的 -phase 成 了 气 候 ， 则 焊 点 主 体 中 之 锡 不 断 往 介 面 溜 走 ， 致 使 整 个 主 体皮 膜 中 的 铅 量 比 例 增 加 ， 后 续 的 焊 接 将 会 呈 现 缩 锡 (Dewetting)的 场 面 。 这 种 不 归 路的 恶 化 情 形 ， 又 将 随 着 原 始 锡 铅 皮 膜 层 的 厚 薄 而 有 所 不 同 ， 越 薄 者 还 会 受 到 空 气 中 氧 气的 助 虐 ， 使 得 劣 化 情 形 越 快 。 故 为 了 免 遭 此

36、一 额 外 的 苦 难 ， 一 般 规 范 都 要 求 锡 铅 皮 膜 层至 少 都 要 在 0.3mil 以 上 。 老 化 後 的 锡 铅 皮 膜 ， 除 了 不 良 的 IMC 及 表 面 能 太 低 ，而 导 致 缩 锡 的 效 应 外 ， 镀 铜 层 中 的 杂 质 如 氧 化 物 、 有 机 光 泽 剂 等 共 镀 物 ， 以 及 锡 铅 镀 层中 有 机 物 或 其 它 杂 质 等 ， 也 都 会 朝 向 IMC 处 移 动 集 中 ， 而 使 得 缩 锡 现 象 雪 上 加 霜 更 形恶 化 。 从 许 多 种 前 人 的 试 验 及 报 告 文 献 中 ， 可 知 有 三 种

37、 加 速 老 化 的 模 式 ， 可 以 类比 出 上 述 两 种 焊 锡 性 劣 化 及 缩 锡 现 象 的 试 验 如 下 在 高 温 饱 和 水 蒸 气 中 曝 置124小 时 。 在 125150的 乾 烤 箱 中 放 置 416小 时 。 在 高 温 水 蒸气 加 氧 气 的 环 境 中 放 置 1小 时 ； 之 後 仅 在 水 蒸 气 中 放 置 24小 时 ； 再 另 於 155的 乾 烤箱 中 放 置 4小 时 ； 及 在 40， 9095%RH 环 境 中 放 置 10天 。 如 此 之 连 续 折 腾 约等 於 1年 时 间 的 自 然 老 化 。 在 经 此 等 高 温

38、高 湿 的 老 化 条 件 下 ， 锡 铅 皮 膜 表 面 及 与 铜 之介 面 上 会 出 现 氧 化 、 腐 蚀 ， 及 锡 原 子 耗 失 (Depletion)等 ， 皆 将 造 成 焊 锡 性 的 劣 化 。 六 、 锡 金 IMC焊 锡 与 金 层 之 间 的 IMC 生 长 比 铜 锡 合 金 快 了 很 多 ， 由 先 后 出 现 的 顺 序 所 得 的 分 子式 有 AuSn ， AuSn2， AuSn4等 。 在 150中 老 化 300小 时 后 ， 其 IMC 居 然 可 增长 到 50m(或 2mil)之 厚 。 因 而 镀 金 零 件 脚 经 过 焊 锡 之 后 ，

39、 其 焊 点 将 因 IMC 的 生 成 太快 ， 而 变 的 强 度 减 弱 脆 性 增 大 。 幸 好 仍 被 大 量 柔 软 的 焊 锡 所 包 围 ， 故 内 中 缺 点 尚 不 曝 露出 来 。 又 若 当 金 层 很 薄 时 ， 例 如 是 把 薄 金 层 镀 在 铜 面 上 再 去 焊 锡 ， 则 其 焊 点 强 度 也 很 快就 会 变 差 ， 其 劣 化 程 度 可 由 耐 疲 劳 强 度 试 验 周 期 数 之 减 少 而 清 楚 得 知 。 曾 有 人故 意 以 热 压 打 线 法 (Thermo-Compression， 注 意 所 用 温 度 需 低 于 锡 铅 之

40、熔 点 )将 金 线压 入 焊 锡 中 ， 于 是 黄 金 就 开 始 向 四 周 的 焊 锡 中 扩 散 ， 逐 渐 形 成 如 图 中 白 色 散 开 的IMC。 该 金 线 原 来 的 直 径 为 45m， 经 155中 老 化 460小 时 后 ， 竟 然 完 全 消 耗 殆 尽 ，其 效 应 实 在 相 当 惊 人 。 但 若 将 金 层 镀 在 镍 面 上 ， 或 在 焊 锡 中 故 意 加 入 少 许 的 铟 ， 即 可 大大 减 缓 这 种 黄 金 扩 散 速 度 达 5倍 之 多 。 七 、 锡 银 IMC锡 与 银 也 会 迅 速 的 形 成 介 面 合 金 共 化 物 A

41、g3Sn， 使 得 许 多 镀 银 的 零 件 脚 在 焊 锡 之后 ， 很 快 就 会 发 生 银 份 流 失 而 进 入 焊 锡 之 中 ， 使 得 银 脚 焊 点 的 结 构 强 度 迅 速 恶 化 ，特 称 为 渗 银 Silver leaching 。 此 种 焊 后 可 靠 性 的 问 题 ， 曾 在 许 多 以 钯 层 及 银 层 为导 体 的 “厚 膜 技 术 (Thick Film Technology)中 发 生 过 ， SMT 中 也 不 乏 前 例 。 若 另 将锡 铅 共 融 合 金 比 例 63/37的 焊 锡 成 分 ， 予 以 小 幅 的 改 变 而 加 入 2

42、%的 银 ， 使 成 为62/36/2的 比 例 时 ， 即 可 减 轻 或 避 免 发 生 此 一 渗 银 现 象 ， 其 焊 点 不 牢 的 烦 恼 也 可 为之 舒 缓 。 最 近 兴 起 的 铜 垫 浸 银 处 理 (Immersion Silver)， 其 有 机 银 层 极 薄 仅 4-6m 而已 ， 故 在 焊 接 的 瞬 间 ， 银 很 快 就 熔 入 焊 锡 主 体 中 ， 最 后 焊 点 构 成 之 IMC 层 仍 为 铜 锡的 Cu6Sn5， 故 知 银 层 的 功 用 只 是 在 保 护 铜 面 而 不 被 氧 化 而 已 ， 与 有 机 护 铜 剂 (OSP)之 En

43、etk 极 为 类 似 ， 实 际 上 银 本 身 并 未 参 加 焊 接 。 八 、 锡 镍 IMC电 子 零 件 之 接 脚 为 了 机 械 强 度 起 见 ， 常 用 黄 铜 代 替 纯 铜 当 成 底 材 。 但 因 黄 铜 中 含 有多 量 的 锌 ， 对 于 焊 锡 性 会 有 很 大 的 妨 碍 ， 故 必 须 先 行 镀 镍 当 成 屏 障 (Barrier)层 ， 才 能完 成 焊 接 的 任 务 。 事 实 上 这 只 是 在 焊 接 的 瞬 间 ， 先 暂 时 达 到 消 灾 避 祸 的 目 的 而 已 。 因 不久 后 镍 与 锡 之 间 仍 也 会 出 现 IMC，

44、对 焊 点 强 度 还 是 有 不 良 的 影 响 。 表 4. 各 种IMC 在 扩 散 系 数 与 活 化 能 方 面 的 比 较 System Intermetallic Compounds Diffusion Coefficient(m2/s) Activation Energy(J/mol) Cu-Sn Cu6Sn5， Cu3Sn 1106 80,000 Ni-Sn Ni3Sn2， Ni3Sn4， Ni3Sn7 2107 68,000 Au-Sn AuSn， AuSn2 AuSn 3104 73,000 Fe-Sn FeSnFeSn2 2109 62,000 Ag-Sn Ag3Sn

45、8109 64,000 在 一 般 常 温 下 锡 与 镍 所 生 成 的 IMC， 其 生 长 速 度 与 锡铜 IMC 相 差 很 有 限 。 但 在 高 温 下 却 比 锡 铜 合 金 要 慢 了 很 多 ， 故 可 当 成 铜 与 锡 或 金 之 间的 阻 隔 层 (Barrier Layer)。 而 且 当 环 境 温 度 不 同 时 ， 其 IMC 的 外 观 及 组 成 也 各 不 相 同 。此 种 具 脆 性 的 IMC 接 近 镍 面 者 之 分 子 视 为 Ni3Sn4， 接 近 锡 面 者 则 甚 为 分 歧 难 以 找 出通 式 ， 一 般 以 NiSn3为 代 表 。

46、 根 据 一 些 实 验 数 据 ， 后 者 生 长 的 速 度 约 为 前 者 的 三 倍 。又 因 镍 在 空 气 非 常 容 易 钝 化 (Passivation)， 对 焊 锡 性 也 会 出 现 极 其 不 利 的 影 响 ， 故 一般 在 镍 外 表 还 要 镀 一 层 纯 锡 ， 以 提 高 焊 锡 性 。 若 做 为 接 触 (Contact)导 电 用 途 时 ， 则也 可 镀 金 或 银 。 九 、 结 论各 种 待 焊 表 面 其 焊 锡 性 的 劣 化 ， 以 及 焊 点 强 度 的 减 弱 ， 都 是 一 种 自 然 现 象 。 正 如 同有 情 世 界 的 生 老

47、病 死 及 无 情 世 界 的 颓 蚀 风 化 一 样 均 迟 早 发 生 ， 无 法 避 免 。 了 解 发 生 的 原因 与 过 程 之 后 ， 若 可 找 出 改 善 之 道 以 延 长 其 使 用 年 限 ， 即 为 上 上 之 策 矣 。 SMT 常 用 知 识 简 介常 用 知 识 简 介1 一 般 来 说 ,SMT 车 间 规 定 的 温 度 为 233。 2. 锡 膏 印 刷 时 ,所 需 准 备 的 材 料 及 工 具 锡 膏 、 钢 板 、 刮 刀 、 擦 拭 纸 、 无 尘 纸 、 清 洗剂 、 搅 拌 刀 。 3. 一 般 常 用 的 锡 膏 合 金 成 份 为 Sn/

48、Pb 合 金 ,且 合 金 比 例 为 63/37。 4. 锡 膏 中 主 要 成 份 分 为 两 大 部 分 锡 粉 和 助 焊 剂 。 5. 助 焊 剂 在 焊 接 中 的 主 要 作 用 是 去 除 氧 化 物 、 破 坏 融 锡 表 面 张 力 、 防 止 再 度 氧 化 。6. 锡 膏 中 锡 粉 颗 粒 与 Flux(助 焊 剂 )的 体 积 之 比 约 为 1:1, 重 量 之 比 约 为 9:1。 7. 锡 膏 的 取 用 原 则 是 先 进 先 出 。 8. 锡 膏 在 开 封 使 用 时 ,须 经 过 两 个 重 要 的 过 程 回 温 、 搅 拌 。 9. 钢 板 常 见 的 制 作 方 法 为 ： 蚀 刻 、 激 光 、 电 铸 。 10. SMT 的 全 称 是 Surface mount(或 mounting) technology,中 文 意 思 为 表 面 粘着 （ 或 贴 装 ） 技 术 。 11. ESD 的 全 称 是 Electro-static discharge, 中 文 意 思 为 静 电 放 电 。 12. 制 作 SMT 设 备 程 序 时 , 程 序 中 包 括 五 大 部 分 , 此 五