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低溫焊料和高溫焊料的工藝區別 銘上電子科技專業提供技術支持服務


低溫焊料和高溫焊料的工藝區別 銘上電子科技專業提供技術支持服務 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。

PCB動態報導

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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。

 

 

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