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焊料性質對焊接的影響 銘上電子科技專業技術支持


 

 

 焊料性質對焊接的影響

 

 

 

 

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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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