1、教育訓練教材第 1 頁共 13 頁銲料性質 1.前言 目前各種形式的合金焊料，其最權威的國際規範為 J-STD-006。此文獻之最新版本為1996.6 的 Amendment 1，由於資料很新，故早已取代了先前甚為知名的美國聯邦規範 QQ-S-571。IPC 還有一份重要的焊接手冊 IPC-HDBK-001 其中之 4.1，曾定義“熔點”在 430以下為“軟焊”(Soldering)，也就是錫焊。另熔點在 430以上稱為 “硬焊” （Brazing） ，係含銀之高溫高強度焊接。早期歐美業界，亦稱熔點 600（315）以下者為軟質銲錫，800（427）以上者為硬質焊錫。原文 Solder 定義為
2、錫鉛含金之焊料，故中譯從金旁為“銲錫” ，而利用高熱能進行熔焊之 Soldering（註意此一特定之單字，並非只加 ing 而已） ，則另從火旁用字眼的“焊接” ，兩者涵義並不完全相同。2.共熔(晶)銲錫 銲錫焊料（Solder）主要成分為錫與鉛，其他少量成分尚有銀、鉍、銦等，各有不同的熔點（M.P.） ，但其主要二元合金中以 Sn63/Pb37 之 183為最低，由於其液化熔點（Liquidus Point）與固化熔點（ Solidus Point）的往返過程中，均無過渡期間的漿態（pasty）出現，也就是已將較高的“液化熔點”與較低的“固化熔點”兩者合而為一，故稱為“共熔合金” 。且因其粗
3、大結晶內同時出現錫鉛兩種元素，於是又稱為“共晶合金” 。此種無雜質合金外表很光亮之“共熔組成” （Eutectic Composition）或“共熔銲錫” （Eutectic Solder） ，其固化後之組織非常均勻，幾無粒子出現。其合金比例之不同將影響到熔點變化，該變化之“平衡相圖（Phase Diagram） ”，圖請參考第 12 期 TPCA 會刊。教育訓練教材第 2 頁共 13 頁另一種組成接近共熔點的 Sn60/Pb40 合金，則在電子業界中用途更廣，主要原因是 Sn較貴，在焊錫性（Solderability ）與銲點強度（ Joint Strength）幾無差異下，減少了 3的支出
4、，自然有利於成本的降低。與前者真正共熔合金比較時，此 60/40 者必須經歷少許漿態，故其固化時間稍長，外觀也較不亮，但其銲點強度並無不同。不過後者若於其固化過程中受到外力震動時，將出現外表顆粒粗麻之“擾焊”現象（Disturbed）之銲點，甚至還可能發生“縮錫” （Dewetting）之不良情形。3.銲料之特性 除了“銲錫性”好壞會造成生產線的困擾外， “銲點強度” （Joint Strength）更是產品後續生命的重點。但若按材料力學的觀點，只針對完工銲料的抗拉強度（Tensile Strength）與抗剪強度（ Shear Strength）討論時，則並不務實。反而是高低溫不斷變換的長期
5、熱循環（Thermal Cycling，又稱為熱震盪 Thermal Shock）過程中，其等銲點由於與被焊物之熱脹係數（TCE）不同，而出現塑性變形（ Plastic Deformation） ，再進一步產生潛變（Creep）甚至累積成疲勞（Fatigue ）才是重點所在。因此等隱憂遲早會造成銲點破裂（Crack）不可收拾的場面，對銲點之可靠度危害極大。元件的金屬引腳與元件本體，及與板面銲墊之間的熱脹係數（TCE）並不相同，因而在熱循環中一定會產生熱應力（Stress）進而也如響應斯的出現應變（Strain ） ，多次熱應力之後將再因一再應變而“疲勞” （Fatique） ，終將使得銲點或封
6、裝體發生破裂，此種危機對無腳的 SMD 元件影響更大。現將常見共熔銲料之一般機械性質整理如下：3.1 共熔點 63/37 的銲料，其常溫中的抗拉強度（Tensile Strength）為 7250 PSI，而常見冷軋鋼（Cold Rolled Steel）卻高達 64,000 PSI，但此抗拉強度對銲點強度的影響反不如抗剪強度（Shear Strength）來的大，若加入少量銻後成績會較好。至於展性（Ductility ）教育訓練教材第 3 頁共 13 頁與彈性模數（Elastic Modulus）則 63/37 者均比其他高熔點者二元合金要更好，兩合金之導電導熱則比純錫差，且隨鉛量增加時會呈
7、少許下降。一般 63/37 者其強度較其他比例更好。多錫者也比多鉛者為強。3.2 各種比例的錫鉛合金焊料，其強度均比單獨錫鉛金屬較好。比重值則隨鉛量愈多而增大，呈液態時表面張力與合金比例的關係不大。3.3 銲點抗潛度（Creep）能力的好壞，對可靠度的重要性將遠超過抗拉強度。不幸的是愈接近共晶比例而結晶粒子愈粗大者，其潛變也愈大。而柱狀結晶的抗潛變能力也不如等軸結晶（Equiaxial）者。銲點合金在長期的負荷下會出現原子結晶格子（ Atom Lattice）的重整；也就是銲點經長時間劣化下，最後終究會發生故障，原因當然是長時間應力而帶來過度“應變”而成“疲勞”所致。3.4 銲點強弱與助銲劑，
8、銲錫性及 IMC 有關，由許多試驗結果可知，強度與填錫量多少無關，錫量太多反而無益。焊接時間不宜超過 5 秒，愈久愈糟，焊溫也不可太高。4.低溫與高溫銲錫 上述共熔銲錫之熔點為 183，某些對高溫敏感的元件而言，其組裝時需用到熔點低於183者，稱為“低溫銲錫” （Low Temperature Solder） ，其實用配方中需另外加入鉍（Bismuth， Bi）與銦（ Indium，In） 。由於加入此二者所形成的銲料都存在著某些缺點（如強度不足） ，故量產工業尚無法以取代錫鉛之共熔銲料。加入鉍之冷卻後銲點，不易出現膨脹情形，會對銲點造成額外的應力，此種銲點強度不足的隱憂較焊錫性不良更糟。而銦
9、卻由於價格太貴也無進入量產用途。至於高溫銲料者則以含銀者最常見，現分述於後：4.1 含鉍銲料含鉍銲料除了銲點會稍有膨脹之不良外，尚因其銲溫甚低，有時會導致助焊劑無法全教育訓練教材第 4 頁共 13 頁然發揮其活性，以致造成縮錫等焊錫性不良問題。再者是含鉍時容易氧化，致使銲點強不足。此點對安全用電的保險絲（Fuses）而言尤其重要，一旦氧化後經常會造成該斷而未斷之情形，安全上將大打折扣。4.2 含銦銲料含銦之銲錫也會有銲點強度不足的煩惱，且價格不十分昂貴，但也具有一些優點，如：(1)沾錫性（Wettability）非常良好。(2)展性（Ductility）良好，可呈現極佳的抗疲勞性（Fatigu
10、e Resistance） ，甚至還優於錫鉛之共熔合金。(3)焊接動作與錫鉛共熔銲料相比較時，就黃金成份熔入所造成的缺失，則含銦銲點者較為輕微。4.3 含銀銲料當零件腳或板面銲墊之表面處理為鍍銀表面時，則其銲料中若添加少許銀份時，則可大大減緩外界銀份熔入的缺點。但此等熔點較高的含銀銲料通常銲錫性都不好，銲點外表昏暗，機械強度也不足。5.銲料與製程 5.1 合金互熔錫鉛二元合金之銲料，事實上是錫熔進鉛中，而所謂的 Solder 即是二者之“溶液”而教育訓練教材第 5 頁共 13 頁已。高溫焊接中板面承墊中的銅份也會融入鉛與錫中，也就是銅原子會擴散進入熔融的銲料內，並在銲料與底銅之間形成居中的介面
11、層 IMC（Cu 6 Sn5） ，也唯有如此才能真正的焊牢。一但銲墊外表發生銅面氧化物或其他表面污染物時，則會阻止銅份的擴散而無 IMC 的產生，以致無法焊牢。並出現所謂縮錫（Dewetting）或不沾錫（Non-Wetting）等銲錫性不良的表徵。5.2 沾錫過程沾錫（Wetting）亦稱為 Tining，其動作說時遲那時快，首先是高溫中助焊劑展現活性（Activity） ，迅速去除金屬銲墊表面的氧化物或污物或有機護銅劑等（如 Entek） ，使熔融的銲錫與底銅（或底鎳等其他可焊金屬）之間，迅速產生如樹根般的一薄層“界面合金共化物” （Inter Matalic Compound Inter
12、metallic Compound Cu6 Sn5） ，而沾錫及焊牢。在銲點外觀上可見到銲料向外向上擴張地盤的動作，其地盤外緣有一種“固/液/ 氣”三相交會處，隱約中似乎出現“蓄勢待發”而奔出的小角度，特稱之為沾錫性的接觸角（Contact Angle , ） ，亦稱為如噴射機般的雙反斜角（ Dihedral Angle） 。此接觸角度愈小，則沾錫性或焊錫性也愈好。實際上沾錫力量（Wetting Force）是受到幾股力量的影響。下圖即為其等力量平衡及冷卻後的焊點斷面說明，現以淺顯易懂的語言配合圖面說明詮釋(請參考第 12 期 TPCA 會刊) 。 角=雙反斜角，接觸角，或常說的沾錫角。= 介
13、面之間所出現的表面能(Surface Energies)或力量，係指清潔銅面對銲錫金屬的親和力，亦即產生 IMC（Cu 6 Sn5）時互親的力量，也就所謂的銲鍵(Solder Bond)。但銅對鉛則不會產生任何親和力。教育訓練教材第 6 頁共 13 頁rsr=地盤外緣固相與汽相之間的力量，即液錫向外擴張時所呈現的附著力(Adhesive Force) 此力量愈大時沾錫角愈小，焊錫性也愈好。rls=液相與地盤內固相之間的親合力量，必須要先生成 IMC 時才會表現出力量，且此力幾乎是固定不變的。對整體而言此力只會呈現液相本身向內收縮的內聚力(Cohesive Force)，對向外擴張並無助益。rl
14、v=液相與汽相間的力量，此力又可再解析成為垂直分力(r lvsin) 與水平分力(r lvcos); 後者表現得愈大時,沾錫性或焊錫性也愈好。由圖中公式 rsr=rls+rlvcos，向外擴張的沾錫力量想要最大時，則其水平分力(r lvcos) 也應最大，也就是 角要愈小愈好。當 角=0 時，則 cos=1, 於是向外擴張的沾錫力量 rsv 也變成最大（亦即焊錫性最好） 。5.3 介面合金共化物 IMC焊接動作之所以能夠焊牢，最根本的原因就是銲錫與底金屬銅面之間，已產生了IMC(Intermatallic Compound Layer) 之良性介面合金共化物 Cu6 Sn5，此種如同樹根或家庭
15、中子女般之介面層，正是相互結合力之所在。但 IMC 有時也會在銲錫主體中發現，且呈現粒狀或針狀等不同外形。其液態時成長之初的厚度約為 0.5-1.0m 之間，一旦冷卻固化 IMC後還會緩緩繼續長厚，而且環境溫度升高時還將會長的更快，最好不要超 2m。久了之後在原先 Cu6,Sn5 之 phase(註 為希臘字母，讀做 Eta)良性 IMC，與底銅之間還會另外生出一層惡性 -phase(註: 讀做 Epsilon) 的 Cu3 Sn. 此惡性者與原先良性者本質上完全不同，一旦 -phase 出現後其銲點強度即將漸趨劣化，脆性逐漸增加，IMC 本身鬆弛，甚至整體銲點逐漸出現脫裂浮離等生命終期的到來
16、。一般 IMC 的性質與所組成的金屬完全不同，常呈現脆性高、導電差，且很容易鈍化或教育訓練教材第 7 頁共 13 頁氧化等進一步毀壞之境界。並具有強烈惰性頑性，一般助焊劑均無法加以清除。常見之IMC 除了銅錫之間者，尚有錫鎳、錫銀、與錫金甚至錫鐵等 IMC，其等後續平均成長之速度與活化能等比較列表如下：各種 IMC 後續平均成長速率之比較IMC 種類（焊溫中初生）IMC 示性式 擴散係數(m2/s)活化能(J/mol)Cu/Sn 銅 /錫(接近共熔組成者)Cu6Sn5,Cu3Sn 1106 80,000Ni/Sn 鎳錫 Ni3Sn2,Ni3Sn4,Ni3Sn 2107 68,000Fe/Sn
17、鐵錫 FeSn,FESn2 2109 62,000Au/Sn 金錫 AuSn,AuSn2,AuSn4 3104 73,000Ag/Sn 銀錫 Ag3Sn 8109 64,000要注意的是上述銅錫之間 IMC 的成長情形，係針對其共熔組成的銲料(63/67)而言，其他錫鉛比合金對銅生長 IMC 的速率，則又有不同；但其擴散的過程都是來自底銅中的銅原子而向銲錫中逐漸滲入，且隨周遭溫度之上升而加速。5.4 銲點之微結構錫與鉛此二元合金（Binary Alloy）會以任何比例形成各種協調的合金，而其共熔點教育訓練教材第 8 頁共 13 頁（Eutectic point）Sn63/pb37 之合金，若仔
18、細觀察時會呈現一種多鉛溶入錫中的一種固溶體(Solid Solution)。若其熔融液態合金慢慢冷卻時，會形成一種粗大結晶(Coarse-Grained)狀的合金晶粒，且在結晶中會同時出現兩種元素故稱為“共晶” ，但在其他重量比之各種組成則所見不多。其實此種粗大的結晶對銲點強度反而不好，必須具備“細晶”(Fine-grained)的結構者，其強度(strength) 與抗疲勞性(Fatigue-resistance) 才會更好。不過後續遭遇其他高溫的機會也還能改變上述的粗大結晶。至於其他不同成份的銲錫，其結晶組織也各有不同。當組成離開共晶點而往鉛方向移動者，其合金將呈現展性(Ductility
19、)增加及抗潛變(Creep)降低之情形。當朝向錫方向前進時；則抗潛變與硬度都會少許增加。但當合金組成變為 Sn96/Pb4 時，則將成為一種單相的銲錫合金。其結構已不再隨溫度循環以及熱遭遇(Thermal Exposure)而改變，故強度反而提高，展性減少，抗潛變能力也更好，抗疲勞性也增強。然而在 PCBA 無法忍受太高焊溫的現實下，故只好仍沿用接近熔點較低的共晶點銲錫，表面黏裝元件(SMD)尤其如此。為了挽救其銲點強度之不足，還可採行下列補強性的措施： 減少板面焊墊與零件以及銲點三者之間熱脹係數的落差。 選擇適當的銲點外形以減少應力及應變。 放棄無引腳的元件，採用伸腳或勾腳者，以緩衝脹縮的差
20、異。 選擇適宜合金比率的銲料。 業界早期曾使用過一種頗為清潔的“蒸氣焊接” （Vapor Soldering）製程，即因其銲點結晶十分粗糙而強度不足，再加上其他原因，目前已被淘汰。5.5 銲點的後續故障 Solder Joint Failure一旦引腳、銲點合金、與焊墊 (即板材)三種焊接單元之熱脹係數無法吻合匹配時，則教育訓練教材第 9 頁共 13 頁經過高低溫多次變化中，其銲點會因漲縮之疲勞而逐漸發生故障，會因潛變而導致銲點的破裂。Sn63/Pb37 之共晶合金由於結晶粗糙，故其耐疲勞性並不好。但若刻意加入 2%的銀而成為 Sn62/Ag2/Pb36 者，則其抗拉強度與抗潛變強度都會有極大
21、的改善。在許多前人對各種銲錫合金的研究中發現，Sn96/Ag4 之合金具有最堅強的耐疲勞特性，且經過美國政府與民間過去 20 年對焊點的研究告(ISBN 0-87339-166-7)指出，銲點故障的主因就是溫度變化所造成的“疲勞”(Fatigue)故障。許多完工的組裝板，即使放在貨架上而並未實際使用，經歷一段時間的日夜溫度變化下，就會發現一些通電不良的焊點故障情形。凡三種參與焊接之單元間其熱脹係數落差愈大者，則銲點愈容易發生故障。反之則不易出現故障，故規範中所強調的高低溫熱循環試驗(Thermal Cycling Test, -55,15 分+125,15 分，共執行 100次)，就是最能接近
22、事實的可靠度試驗。此外，銲點合金在長期負荷下，還容易發生“潛變”(Creep)，這是一種“塑流”(Plastic Flow)所造成的壓力紋裂(Stress Rupture)，故元件愈重者愈糟糕( 如板面上所裝的變壓器就是)，需另做其他如螺絲等之補強措施才行。而 Sn63/Pb37 的抗潛變強度又低於其抗拉強度，且高溫中連接的成績更差，如 125時前者只有 1.4-3.4 Mpa 而已。6.錫膏 Solder Paste Or Solder Cream 6.1.概況目前電子業用於 SMT 熔焊（Reflow）的錫膏規範，現行者為 JSTD005（1995.1.）已取代著名的美國聯邦規範 QQS5
23、71，而下一代新版本的 JSTD005A 亦正在修訂中。“錫膏”顧名思義是將零件腳（不管是伸腳、勾腳或 BGA 用的球腳等）以其黏著力（Tack Force）暫時加位定位，再經高溫使熔銲成為銲點之特殊焊料是也。教育訓練教材第 10 頁共 13 頁錫膏的組成是由錫鉛合金的小粒微球（正式稱銲錫粉 Solder Powder） ，再混以特殊高黏度的助焊膏混合物（稱為助焊性黏合劑 Flux Binder）而成灰色的膏體，可供印刷黏著或其他方式施工，而在板面焊墊上予以適量分佈配給，做為多點同時熔焊的銲料用途。錫膏本身是一種多相的“非牛頓流體” （指流速不受外力與黏度的支配而受到剪率（Shear Rate
24、）的主宰，如蕃茄醬即是） ，其中含有特殊專密的（Propritary） “抗垂流劑”（Thixotropic Agent，又稱為搖變劑） ，使錫膏具有可順利印刷以及著落在定點後，即不再輕易流動的特性，以防止密墊之間的相互垂流而坍塌。其中所加入的助焊劑需不可具有腐蝕性，並以容易清洗清除為原則。目前“免洗”的流行，故熔焊後銲點附近所被逐出的有機物，亦需對整體組裝品無害才行。6.2.錫粉 Solder Powder錫粉係由熔融的液態銲錫，經由噴霧（Atomizing）或自轉甩出於氮氣中，再經冷卻墜落及篩除掉一些長形或不規則狀的粒子，而得到儘量要求大小一致的球體。為刻意方便印刷中的流動及印著點的堆積實
25、在起見，各種等級的錫膏中，其球徑大小之百分比分配也各有不同，但主球體重量比值在 8292之間，當然各種小粒銲球的成份必須保持穩定一致，則是無庸置疑的事。不過經分析 Sn63Pb37 的銲粒後，事實上還是會發現純錫或是Sn10Pb90 等不同成份的小球存在，這可能是供應商刻意為調整特殊需求而加入的。再者錫粉表面難免不會氧化， “表面積体積”比值愈大者則氧化機會也愈大。氧物物當然不利於熔焊的進行，而且還容易引發濺出而形成焊後的不良錫球。又當錫粉之粒徑及外形相差過於懸殊時，對網版或鋼板印刷甚至注射法的施工都很不利，常會造成出口的堵塞（Log jams） 。不過經驗中也曾學習到錫粉中還須備有著某種“不
26、均勻外形”者之比率教育訓練教材第 11 頁共 13 頁存在，如此方可減少熔焊前預熱中錫膏的坍塌（Slump） ，當然最好還是由 Binder 來控制此種缺陷才是正途。總之錫粉的球狀均勻度（Uniformity Sphere）已經成為品管的要項之一了。6.3.錫粉粒徑的選擇當錫膏中的錫粉粒子愈小時，其形成銲點後向外逸出不良錫球之機會也就愈大。此乃因其“表面積体積”的比值愈大時，也需要較多的助焊劑以減少其氧化，因而一些較小粒子者（15m 以下）就很容易在熔焊時從主體中被“沖擠”出來。故各型錫膏配置時必須訂定其選用粒徑大小（Particle size） ，與其重量百分比的分配（Size Distri
27、bution）兩種參數，以適應印刷時開口的大小及減少不良錫球的產生。下二表即 JSTD005 中 6 種型別錫膏的錫粉粒經與分配情形表：按標稱粒度重量百分比所組成之三種粗粒錫膏膏型Type粒度之上限 大粒度之粒徑者(須在 1以下)正確粒度範圍者(須在 80以上)較小粒度者(須在 10以下)1 160Microns 150Microns 150-175Microns 20Microns2 80Microns 75Microns 75-45Microns 20Microns3 50Microns 45Microns 45-25Microns 20Microns表：按標準粒度重量百分比所組成之三種細
28、粒錫膏教育訓練教材第 12 頁共 13 頁膏型Type粒度之上限 大粒度之粒徑者(須在 1以下)正確粒度範圍者(須在 80以上)較小粒度者(須在 10以下)1 40Microns 38Microns 38-20Microns 20Microns2 30Microns 25Microns 25-15Microns 15Microns3 20Microns 15Microns 15-5Microns 5Microns6.4.錫膏中有機物的影響錫膏的黏度太低時，不但所印膏體定位困難（至少保持 23 小時不變形） ，且很容易造成坍塌及熔焊後的搭橋短路。由於其黏度又與環境溫度有直接的關係，故未操作使用時
29、，應儲存在冰箱中（還可防止吸濕） 。從實驗結果得知，每上升 4時其黏度值即下降 10。因而錫膏的印刷及零件的放置區，其室溫的降低及穩定是何等重要了。且零件放置前及引腳黏妥後的預熱溫度與時間均不宜過頭，以減短路與錫球的發生。再者溶劑含量也是造成不良錫球原因之一，溶劑太多自然容易出現搭橋。而當助焊劑之軟化點（Softtening Point）太低時搭橋比例也會增大；但若其軟化點太高時則分子量必大，在內聚力加強之下，將使之不易分散及清洗。6.5 熔銲中錫球的煩惱早先流行清洗的年代，錫膏熔銲後發生錫球的煩惱尚不很嚴重，只要體積不是太小（5mil 以上） ，引腳密度不是太密者都可以被沖洗乾淨。然而自從服
30、膺環保的要求，推動“免洗”製程之下，焊熔後大小錫球都成了痛苦的夢魘。究其原因而著手解決數種辦法不少，現介紹一些實用者如下：(1)錫膏印著量太多或印著位置偏移，以致造成濺出者；可從減小開口面積或教育訓練教材第 13 頁共 13 頁減薄銅板厚度，以改善對準度方面帶來的錫球。(2)錫膏中溶劑太多，或吸水後黏度降低（應降低印刷現場的溼度與錫膏在銅板上停留的時間）造成熔合時濺出，減少其溶劑與吸水即可。(3)配方中較小粒徑的錫粉太多，一旦未及熔合成為主體者即可能被排除在外而成錫球。(4)氧化物太多或灰塵之吸附，造成銲錫性不良。在不易熔合成主體下，即有部分會飛散出去。(5)預熱過度常造成氧化增加、黏度降低；須認真作實驗選出最好的升溫曲線。或因事先放置零件時，踩腳力量過大也會造成錫球。(6)板面綠漆硬化不足，造成濺錫之容易附著。可採棉花棒沾二氯甲烷去擦拭綠漆表面，觀察是否掉色即大概知曉綠漆的硬化情形。(7)電路板 SMT 焊墊之表面處理層（如噴錫、OSP 護銅劑、化鎳、浸金、與浸銀或浸錫等） ，其等狀況也會影響到錫球的多寡、其中以噴錫板的錫球較多。
