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焊料性質對焊接的影響



             焊料性質對焊接的影響 1.前言 目前各種形式的合金焊料,其最權威的國際規范為J-STD-006。此文獻之最新版本為1996.6Amendment 1,由于資料很新,故早已取代了先前甚為知名的美國聯邦規范QQ-S-571IPC還有一份重要的焊接手冊IPC-HDBK-001其中之4.1,曾定義熔點430以下為軟焊(Soldering),也就是錫焊。另熔點在430以上稱為 硬焊Brazing),系含銀之高溫高強度焊接。早期歐美業界,亦稱熔點600℉315)以下者為軟質焊錫,800℉427)以上者為硬質焊錫。

         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。

 

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2.共熔()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/Pb37183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(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。且因其粗大結晶內同時出現錫鉛兩種元素,于是又稱為共晶合金。此種無雜質合金外表很光亮之共熔組成Eutectic Composition)或共熔焊錫Eutectic Solder),其固化后之組織非常均勻,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12TPCA會刊。

         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)與焊點強度(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者必須經歷少許漿態,故其固化時間稍長,外觀也較不亮,但其焊點強度并無不同。不過后者若于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)之焊點,甚至還可能發生縮錫Dewetting)之不良情形。

 

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3.焊料之特性

       除了焊錫性好壞會造成生產線的困擾外,焊點強度 Joint Strength)更是產品后續生命的重點。但若按材料力學的觀點,只針對完工焊料的抗拉強度(Tensile Strength)與抗剪強度(Shear Strength)討論時,則并不務實。反而是高低溫不斷變換的長期熱循環(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(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(TCE)并不相同,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),多次熱應力之后將再因一再應變而疲勞Fatique),終將使得焊點或封裝體發生破裂,此種危機對無腳的SMD組件影響更大。現將常見共熔焊料之一般機械性質整理如下:

3.1共熔點63/37的焊料,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,但此抗拉強度對焊點強度的影響反不如抗剪強度(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(Elastic Modulus)則63/37者均比其它高熔點者二元合金要更好,兩合金之導電導熱則比純錫差,且隨鉛量增加時會呈少許下降。一般63/37者其強度較其它比例更好。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系不大。

3.3焊點抗潛度(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。焊點合金在長期的負荷下會出現原子結晶格子(Atom Lattice)的重整;也就是焊點經長時間劣化下,最后終究會發生故障,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焊點強弱與助焊劑,焊錫性及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。

  

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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,稱為低溫焊錫Low Temperature Solder),其實用配方中需另外加入鉍(BismuthBi)與銦(IndiumIn)。由于加入此二者所形成的焊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焊料。加入鉍之冷卻后焊點,不易出現膨脹情形,會對焊點造成額外的應力,此種焊點強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入量產用途。至于高溫焊料者則以含銀者最常見,現分述于后:

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,有時會導致助焊劑無法全然發揮其活性,以致造成縮錫等焊錫性不良問題。再者是含鉍時容易氧化,致使焊點強不足。此點對安全用電的保險絲(Fuses)而言尤其重要,一旦氧化后經常會造成該斷而未斷之情形,安全上將大打折扣。

4.2含銦焊料

    含銦之焊錫也會有焊點強度不足的煩惱,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(Fatigue Resistance),甚至還優于錫鉛之共熔合金。

(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焊料通常焊錫性都不好,焊點外表昏暗,機械強度也不足。

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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,也就是銅原子會擴散進入熔融的焊料內,并在焊料與底銅之間形成居中的接口層IMCCu6 Sn5),也唯有如此才能真正的焊牢。一但焊墊外表發生銅面氧化物或其它表面污染物時,則會阻止銅份的擴散而無IMC的產生,以致無法焊牢。并出現所謂縮錫(Dewetting)或不沾錫(Non-Wetting)等焊錫性不良的表征。

5.2沾錫過程

沾錫(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),迅速去除金屬焊墊表面的氧化物或污物或有機護銅劑等(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張地盤的動作,其地盤外緣有一種//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 ,θ),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后的焊點斷面說明,現以淺顯易懂的語言配合圖面說明詮釋(請參考第12TPCA會刊)

θ=雙反斜角,接觸角,或常說的沾錫角。

=接口之間所出現的表面能(Surface Energies)或力量,系指清潔銅面對焊錫金屬的親和力,亦即產生IMCCu6 Sn5)時互親的力量,也就所謂的焊鍵(Solder Bond)。但銅對鉛則不會產生任何親和力。

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),對向外擴張并無幫助。

rlv=液相與汽相間的力量,此力又可再解析成為垂直分力(rlv˙sinθ) 與水平分力(rlv˙cosθ); 后者表現得愈大時,沾錫性或焊錫性也愈好。

    由圖中公式rsr=rls+rlv˙cosθ,向外擴張的沾錫力量想要最大時,則其水平分力(rlv˙cosθ) 也應最大,也就是θ角要愈小愈好。當θ=0 時,則cosθ=1,于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 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,正是相互結合力之所在。但IMC有時也會在焊錫主體中發現,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0.5-1.0μm之間,一旦冷卻固化IMC后還會緩緩繼續長厚,而且環境溫度升高時還將會長的更快,最好不要超2μm。久了之后在原先Cu6,Sn5 η–phase(η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ε-phase(: ε 讀做Epsilon) Cu3 Sn.  此惡性者與原先良性者本質上完全不同,一旦ε-phase出現后其焊點強度即將漸趨劣化,脆性逐漸增加,IMC本身松弛,甚至整體焊點逐漸出現脫裂浮離等生命終期的到來。

    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,且很容易鈍化或氧化等進一步毀壞之境界。并具有強烈惰性頑性,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,其等后續平均成長之速度與活化能等比較列表如下:

  各種IMC后續平均成長速率之比較

IMC種類

(焊溫中初生)

IMC示性式

擴散系數

(m2/s)

活化能

(J/mol)

Cu/Sn/

(接近共熔組成者)

Cu6Sn5,Cu3Sn

     1×106

80,000

Ni/Sn 鎳/錫

Ni3Sn2,Ni3Sn4,Ni3Sn

2×107

68,000

Fe/Sn 鐵/錫

FeSn,FESn2 

2×109

62,000

Au/Sn 金/錫

AuSn,AuSn2,AuSn4

3×104

73,000

Ag/Sn 銀/錫

Ag3Sn

8×109

64,000

                                        

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(Eutectic pointSn63/pb37 之合金,若仔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,但在其它重量比之各種組成則所見不多。

其實此種粗大的結晶對焊點強度反而不好,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。不過后續遭遇其它高溫的機會也還能改變上述的粗大結晶。至于其它不同成份的焊錫,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)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焊錫合金。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焊錫,表面黏裝組件(SMD)尤其如此。為了挽救其焊點強度之不足,還可實行下列補強性的措施:

·             減少板面焊墊與零件以及焊點三者之間熱脹系數的落差。

·             選擇適當的焊點外形以減少應力及應變。

·             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,即因其焊點結晶十分粗糙而強度不足,再加上其它原因,目前已被淘汰。

5.5焊點的后續故障Solder Joint Failure

 

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