焊料性質(zhì)對焊接的影響

1、焊料性質(zhì)對焊接的影響1.前言 目前各種形式的合金焊料，其最權(quán)威的國際規(guī)范為J-STD-006。此文獻(xiàn)之最新版本為1996.6的Amendment 1，由于資料很新，故早已取代了先前甚為知名的美國聯(lián)邦規(guī)范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），系含銀之高溫高強(qiáng)度焊接。早期歐美業(yè)界，亦稱熔點600（315）以下者為軟質(zhì)焊錫，800（427）以上者為硬質(zhì)焊錫。原文Solder定義為錫鉛含金之焊料，故中譯從金旁為“焊錫”，而利用高熱能進(jìn)

2、行熔焊之Soldering（注意此一特定之單字，并非只加ing而已），則另從火旁用字眼的“焊接”，兩者涵義并不完全相同。2.共熔(晶)焊錫 焊錫焊料（Solder）主要成分為錫與鉛，其它少量成分尚有銀、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，由于其液化熔點（Liquidus Point）與固化熔點（Solidus Point）的往返過程中，均無過渡期間的漿態(tài)（pasty）出現(xiàn)，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”。且因其粗大結(jié)晶內(nèi)同時出現(xiàn)錫鉛兩種元素，于是又稱為“共晶合金”。此種無雜質(zhì)合金外表很光亮

3、之“共熔組成”（Eutectic Composition）或“共熔焊錫”（Eutectic Solder），其固化后之組織非常均勻，幾無粒子出現(xiàn)。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。另一種組成接近共熔點的Sn60/Pb40合金，則在電子業(yè)界中用途更廣，主要原因是Sn較貴，在焊錫性（Solderability）與焊點強(qiáng)度（Joint Strength）幾無差異下，減少了3的支出，自然有利于成本的降低。與前者真正共熔合金比較時，此60/40者必須經(jīng)歷少許漿態(tài)，故其固化時間稍長，外觀也較不亮，但其焊點強(qiáng)度并無不同。不過后

4、者若于其固化過程中受到外力震動時，將出現(xiàn)外表顆粒粗麻之“擾焊”現(xiàn)象（Disturbed）之焊點，甚至還可能發(fā)生“縮錫”（Dewetting）之不良情形。3.焊料之特性 除了“焊錫性”好壞會造成生產(chǎn)線的困擾外，“焊點強(qiáng)度” （Joint Strength）更是產(chǎn)品后續(xù)生命的重點。但若按材料力學(xué)的觀點，只針對完工焊料的抗拉強(qiáng)度（Tensile Strength）與抗剪強(qiáng)度（Shear Strength）討論時，則并不務(wù)實。反而是高低溫不斷變換的長期熱循環(huán)（Thermal Cycling，又稱為熱震蕩Thermal Shock）過程中，其等焊點由于與被焊物之熱脹系數(shù)（TCE）不同，而出現(xiàn)塑性變形（P

5、lastic Deformation），再進(jìn)一步產(chǎn)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焊點破裂（Crack）不可收拾的場面，對焊點之可靠度危害極大。組件的金屬引腳與組件本體，及與板面焊墊之間的熱脹系數(shù)（TCE）并不相同，因而在熱循環(huán)中一定會產(chǎn)生熱應(yīng)力（Stress）進(jìn)而也如響應(yīng)斯的出現(xiàn)應(yīng)變（Strain），多次熱應(yīng)力之后將再因一再應(yīng)變而“疲勞”（Fatique），終將使得焊點或封裝體發(fā)生破裂，此種危機(jī)對無腳的SMD組件影響更大?，F(xiàn)將常見共熔焊料之一般機(jī)械性質(zhì)整理如下：3.1共熔點63/37的焊料，其常溫中的抗拉強(qiáng)度（Tensile Streng

6、th）為7250 PSI，而常見冷軋鋼（Cold Rolled Steel）卻高達(dá)64,000 PSI，但此抗拉強(qiáng)度對焊點強(qiáng)度的影響反不如抗剪強(qiáng)度（Shear Strength）來的大，若加入少量銻后成績會較好。至于展性（Ductility）與彈性模數(shù)（Elastic Modulus）則63/37者均比其它高熔點者二元合金要更好，兩合金之導(dǎo)電導(dǎo)熱則比純錫差，且隨鉛量增加時會呈少許下降。一般63/37者其強(qiáng)度較其它比例更好。多錫者也比多鉛者為強(qiáng)。3.2各種比例的錫鉛合金焊料，其強(qiáng)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(tài)時表面張力與合金比例的關(guān)系不大。3.3焊點抗?jié)摱龋–reep）

7、能力的好壞，對可靠度的重要性將遠(yuǎn)超過抗拉強(qiáng)度。不幸的是愈接近共晶比例而結(jié)晶粒子愈粗大者，其潛變也愈大。而柱狀結(jié)晶的抗?jié)撟兡芰σ膊蝗绲容S結(jié)晶（Equiaxial）者。焊點合金在長期的負(fù)荷下會出現(xiàn)原子結(jié)晶格子（Atom Lattice）的重整；也就是焊點經(jīng)長時間劣化下，最后終究會發(fā)生故障，原因當(dāng)然是長時間應(yīng)力而帶來過度“應(yīng)變”而成“疲勞”所致。3.4焊點強(qiáng)弱與助焊劑，焊錫性及IMC有關(guān)，由許多試驗結(jié)果可知，強(qiáng)度與填錫量多少無關(guān)，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.低溫與高溫焊錫 上述共熔焊錫之熔點為183，某些對高溫敏感的組件而言，其組裝時需用到熔點低于183者，

8、稱為“低溫焊錫”（Low Temperature Solder），其實用配方中需另外加入鉍（Bismuth，Bi）與銦（Indium，In）。由于加入此二者所形成的焊料都存在著某些缺點（如強(qiáng)度不足），故量產(chǎn)工業(yè)尚無法以取代錫鉛之共熔焊料。加入鉍之冷卻后焊點，不易出現(xiàn)膨脹情形，會對焊點造成額外的應(yīng)力，此種焊點強(qiáng)度不足的隱憂較焊錫性不良更糟。而銦卻由于價格太貴也無進(jìn)入量產(chǎn)用途。至于高溫焊料者則以含銀者最常見，現(xiàn)分述于后：4.1含鉍焊料含鉍焊料除了焊點會稍有膨脹之不良外，尚因其焊溫甚低，有時會導(dǎo)致助焊劑無法全然發(fā)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，致使焊點強(qiáng)不足。此點對安全

9、用電的保險絲（Fuses）而言尤其重要，一旦氧化后經(jīng)常會造成該斷而未斷之情形，安全上將大打折扣。4.2含銦焊料    含銦之焊錫也會有焊點強(qiáng)度不足的煩惱，且價格不十分昂貴，但也具有一些優(yōu)點，如：(1)沾錫性（Wettability）非常良好。(2)展性（Ductility）良好，可呈現(xiàn)極佳的抗疲勞性（Fatigue Resistance），甚至還優(yōu)于錫鉛之共熔合金。(3)焊接動作與錫鉛共熔焊料相比較時，就黃金成份熔入所造成的缺失，則含銦焊點者較為輕微。4.3含銀焊料    當(dāng)零件腳或板面焊墊之表面處理為鍍銀表面時，則其焊料中若添加少許

10、銀份時，則可大大減緩?fù)饨玢y份熔入的缺點。但此等熔點較高的含銀焊料通常焊錫性都不好，焊點外表昏暗，機(jī)械強(qiáng)度也不足。5.焊料與制程 5.1合金互熔錫鉛二元合金之焊料，事實上是錫熔進(jìn)鉛中，而所謂的Solder即是二者之“溶液”而已。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(kuò)散進(jìn)入熔融的焊料內(nèi)，并在焊料與底銅之間形成居中的接口層IMC（Cu6 Sn5），也唯有如此才能真正的焊牢。一但焊墊外表發(fā)生銅面氧化物或其它表面污染物時，則會阻止銅份的擴(kuò)散而無IMC的產(chǎn)生，以致無法焊牢。并出現(xiàn)所謂縮錫（Dewetting）或不沾錫（Non-Wetting）等焊錫性不良的表征。5.2沾錫過程沾錫（W

11、etting）亦稱為Tining，其動作說時遲那時快，首先是高溫中助焊劑展現(xiàn)活性（Activity），迅速去除金屬焊墊表面的氧化物或污物或有機(jī)護(hù)銅劑等（如Entek），使熔融的焊錫與底銅（或底鎳等其它可焊金屬）之間，迅速產(chǎn)生如樹根般的一薄層“界面合金共化物”（Inter Matalic Compound Intermetallic Compound Cu6 Sn5），而沾錫及焊牢。在焊點外觀上可見到焊料向外向上擴(kuò)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(xiàn)“蓄勢待發(fā)”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(jī)般的雙反斜角（

12、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后的焊點斷面說明，現(xiàn)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。=接口之間所出現(xiàn)的表面能(Surface Energies)或力量，系指清潔銅面對焊錫金屬的親和力，亦即產(chǎn)生IMC（Cu6 Sn5）時互親的力量，也就所謂的焊鍵(Solder Bond)。但銅對鉛則不會產(chǎn)生任何親和力。rsr=地盤外緣固相與汽相之間的力量，即液錫向外擴(kuò)張時所呈現(xiàn)的附著力(Adhesive Forc

13、e) 此力量愈大時沾錫角愈小，焊錫性也愈好。rls=液相與地盤內(nèi)固相之間的親合力量，必須要先生成IMC時才會表現(xiàn)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(xiàn)液相本身向內(nèi)收縮的內(nèi)聚力(Cohesive Force)，對向外擴(kuò)張并無助益。rlv=液相與汽相間的力量，此力又可再解析成為垂直分力(rlvsin) 與水平分力(rlvcos); 后者表現(xiàn)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(kuò)張的沾錫力量想要最大時，則其水平分力(rlvcos) 也應(yīng)最大，也就是角要愈小愈好。當(dāng)角=0 時，則cos=1,于是向外擴(kuò)張的沾錫力量rsv也變成最大（亦即焊錫性最好

14、）。5.3 界面合金共化物IMC 焊接動作之所以能夠焊牢，最根本的原因就是焊錫與底金屬銅面之間，已產(chǎn)生了IMC(Intermatallic Compound Layer) 之良性接口合金共化物Cu6 Sn5，此種如同樹根或家庭中子女般之接口層，正是相互結(jié)合力之所在。但I(xiàn)MC有時也會在焊錫主體中發(fā)現(xiàn)，且呈現(xiàn)粒狀或針狀等不同外形。其液態(tài)時成長之初的厚度約為0.5-1.0m之間，一旦冷卻固化IMC后還會緩緩繼續(xù)長厚，而且環(huán)境溫度升高時還將會長的更快，最好不要超2m。久了之后在原先Cu6,Sn5 之phase(注為希臘字母，讀做Eta)良性IMC，與底銅之間還會另外生出一層惡性-phase(注: 讀做

15、Epsilon) 的Cu3 Sn. 此惡性者與原先良性者本質(zhì)上完全不同，一旦-phase出現(xiàn)后其焊點強(qiáng)度即將漸趨劣化，脆性逐漸增加，IMC本身松弛，甚至整體焊點逐漸出現(xiàn)脫裂浮離等生命終期的到來。 一般IMC的性質(zhì)與所組成的金屬完全不同，常呈現(xiàn)脆性高、導(dǎo)電差，且很容易鈍化或氧化等進(jìn)一步毀壞之境界。并具有強(qiáng)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，其等后續(xù)平均成長之速度與活化能等比較列表如下：  各種IMC后續(xù)平均成長速率之比較IMC種類（焊溫中初生）IMC示性式擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)活化能(J/mol)Cu/Sn銅/錫(接近

16、共熔組成者)Cu6Sn5,Cu3Sn 1×10680,000Ni/Sn 鎳錫Ni3Sn2,Ni3Sn4,Ni3Sn2×10768,000Fe/Sn鐵錫 FeSn,FESn2 2×10962,000Au/Sn金錫AuSn,AuSn2,AuSn43×10473,000Ag/Sn銀錫Ag3Sn 8×10964,000 要注意的是上述銅錫之間IMC的成長情形，系針對其共熔組成的焊料(63/67)而言，其它錫鉛比合金對銅生長IMC的速率，則又有不同；但其擴(kuò)散的過程都是來自底銅中的銅原子而向焊錫中逐漸滲入，且隨周遭溫度之上升而加速。  5.4焊點

17、之微結(jié)構(gòu) 錫與鉛此二元合金（Binary Alloy）會以任何比例形成各種協(xié)調(diào)的合金，而其共熔點（Eutectic point）Sn63/pb37 之合金，若仔細(xì)觀察時會呈現(xiàn)一種多鉛溶入錫中的一種固溶體(Solid Solution)。若其熔融液態(tài)合金慢慢冷卻時，會形成一種粗大結(jié)晶(Coarse-Grained)狀的合金晶粒，且在結(jié)晶中會同時出現(xiàn)兩種元素故稱為“共晶”，但在其它重量比之各種組成則所見不多。其實此種粗大的結(jié)晶對焊點強(qiáng)度反而不好，必須具備“細(xì)晶”(Fine-grained)的結(jié)構(gòu)者，其強(qiáng)度(strength)與抗疲勞性(Fatigue-resistance)才會更好。不過后續(xù)遭遇其

18、它高溫的機(jī)會也還能改變上述的粗大結(jié)晶。至于其它不同成份的焊錫，其結(jié)晶組織也各有不同。當(dāng)組成離開共晶點而往鉛方向移動者，其合金將呈現(xiàn)展性(Ductility)增加及抗?jié)撟?Creep)降低之情形。當(dāng)朝向錫方向前進(jìn)時；則抗?jié)撟兣c硬度都會少許增加。 但當(dāng)合金組成變?yōu)镾n96/Pb4 時，則將成為一種單相的焊錫合金。其結(jié)構(gòu)已不再隨溫度循環(huán)以及熱遭遇(Thermal Exposure)而改變，故強(qiáng)度反而提高，展性減少，抗?jié)撟兡芰σ哺?，抗疲勞性也增?qiáng)。然而在PCBA無法忍受太高焊溫的現(xiàn)實下，故只好仍沿用接近熔點較低的共晶點焊錫，表面黏裝組件(SMD)尤其如此。為了挽救其焊點強(qiáng)度之不足，還可采行下列補(bǔ)強(qiáng)性

19、的措施：減少板面焊墊與零件以及焊點三者之間熱脹系數(shù)的落差。 選擇適當(dāng)?shù)暮更c外形以減少應(yīng)力及應(yīng)變。 放棄無引腳的組件，采用伸腳或勾腳者，以緩沖脹縮的差異。 選擇適宜合金比率的焊料。 業(yè)界早期曾使用過一種頗為清潔的“蒸氣焊接”（Vapor Soldering）制程，即因其焊點結(jié)晶十分粗糙而強(qiáng)度不足，再加上其它原因，目前已被淘汰。5.5焊點的后續(xù)故障Solder Joint Failure一旦引腳、焊點合金、與焊墊 (即板材)三種焊接單元之熱脹系數(shù)無法吻合匹配時，則經(jīng)過高低溫多次變化中，其焊點會因漲縮之疲勞而逐漸發(fā)生故障，會因潛變而導(dǎo)致焊點的破裂。Sn63/Pb37之共晶合金由于結(jié)晶粗糙，故其耐疲勞

20、性并不好。但若刻意加入2%的銀而成為Sn62/Ag2/Pb36者，則其抗拉強(qiáng)度與抗?jié)撟儚?qiáng)度都會有極大的改善。在許多前人對各種焊錫合金的研究中發(fā)現(xiàn)，Sn96/Ag4 之合金具有最堅強(qiáng)的耐疲勞特性，且經(jīng)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，焊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，即使放在貨架上而并未實際使用，經(jīng)歷一段時間的日夜溫度變化下，就會發(fā)現(xiàn)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系數(shù)落差愈大者，則焊點愈容易發(fā)生故障。反之則不易出現(xiàn)故障，故規(guī)范中所強(qiáng)調(diào)的高低溫?zé)嵫h(huán)試驗(Thermal

21、Cycling Test, -55,15分+125,15分，共執(zhí)行100次)，就是最能接近事實的可靠度試驗。 此外，焊點合金在長期負(fù)荷下，還容易發(fā)生“潛變”(Creep)，這是一種“塑流”(Plastic Flow)所造成的壓力紋裂(Stress Rupture)，故組件愈重者愈糟糕(如板面上所裝的變壓器就是)，需另做其它如螺絲等之補(bǔ)強(qiáng)措施才行。而Sn63/Pb37的抗?jié)撟儚?qiáng)度又低于其抗拉強(qiáng)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(yè)用于SMT熔焊（Reflow）的錫膏規(guī)范

22、，現(xiàn)行者為JSTD005（1995.1.）已取代著名的美國聯(lián)邦規(guī)范QQS571，而下一代新版本的JSTD005A亦正在修訂中?！板a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(jīng)高溫使熔焊成為焊點之特殊焊料是也。錫膏的組成是由錫鉛合金的小粒微球（正式稱焊錫粉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，可供印刷黏著或其它方式施工，而在板面焊墊上予以適量分布配給，做為多點同時熔焊的焊料用途。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

23、（Shear Rate）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后，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，并以容易清洗清除為原則。目前“免洗”的流行，故熔焊后焊點附近所被逐出的有機(jī)物，亦需對整體組裝品無害才行。6.2.錫粉Solder Powder 錫粉系由熔融的液態(tài)焊錫，經(jīng)由噴霧（Atomizing）或自轉(zhuǎn)甩出于氮氣中，再經(jīng)冷卻墜落及篩除掉一些長形或不規(guī)則狀的粒子，而得到盡量要求大小一致的球體。為刻意方便印刷中的流動

24、及印著點的堆積實在起見，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(dāng)然各種小粒焊球的成份必須保持穩(wěn)定一致，則是無庸置疑的事。不過經(jīng)分析Sn63Pb37的焊粒后，事實上還是會發(fā)現(xiàn)純錫或是Sn10Pb90等不同成份的小球存在，這可能是供貨商刻意為調(diào)整特殊需求而加入的。再者錫粉表面難免不會氧化，“表面積體積”比值愈大者則氧化機(jī)會也愈大。氧物物當(dāng)然不利于熔焊的進(jìn)行，而且還容易引發(fā)濺出而形成焊后的不良錫球。又當(dāng)錫粉之粒徑及外形相差過于懸殊時，對網(wǎng)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(jīng)驗中也曾學(xué)習(xí)到錫粉中還須備有著某種

25、“不均勻外形”者之比率存在，如此方可減少熔焊前預(yù)熱中錫膏的坍塌（Slump），當(dāng)然最好還是由Binder來控制此種缺陷才是正途?？傊a粉的球狀均勻度（Uniformity Sphere）已經(jīng)成為品管的要項之一了。 6.3.錫粉粒徑的選擇當(dāng)錫膏中的錫粉粒子愈小時，其形成焊點后向外逸出不良錫球之機(jī)會也就愈大。此乃因其“表面積體積”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?。≒article size），與其重量百分比的分配（Size Distribution）兩種參數(shù)，以適應(yīng)印刷時開口

26、的大小及減少不良錫球的產(chǎn)生。    下二表即JSTD005中6種型別錫膏的錫粉粒經(jīng)與分配情形  表：按標(biāo)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)正確粒度范圍者(須在80以上)較小粒度者(須在10以下)1160Microns150Microns150-175Microns20Microns280Microns75Microns75-45Microns20Microns350Microns45Microns45-25Microns20Microns  表：按標(biāo)準(zhǔn)粒度重量百分比所組成之三種細(xì)粒錫膏膏型Type粒度之上限大粒度之粒徑者(須在1以下)正確粒度范圍者(須在80以上)較小粒度者(須在10以下)140Microns38Microns38-20Microns20Microns230Microns25Microns25-15Microns15Microns320Mic