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焊料性质对焊接的影响



             焊料性质对焊接的影响 1.前言 目前各种形式的合金焊料,其最权威的国际规范为J-STD-006。此文献之最新版本为1996.6Amendment 1,由于资料很新,故早已取代了先前甚为知名的美国联邦规范QQ-S-571IPC还有一份重要的焊接手册IPC-HDBK-001其中之4.1,曾定义熔点430以下为软焊(Soldering),也就是锡焊。另熔点在430以上称为 硬焊Brazing),系含银之高温高强度焊接。早期欧美业界,亦称熔点600℉315)以下者为软质焊锡,800℉427)以上者为硬质焊锡。

         原文Solder定义为锡铅含金之焊料,故中译从金旁为焊锡,而利用高热能进行熔焊之Soldering(注意此一特定之单字,并非只加ing而已),则另从火旁用字眼的焊接,两者涵义并不完全相同。

 

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2.共熔()焊锡

     焊锡焊料(Solder)主要成分为锡与铅,其它少量成分尚有银、铋、铟等,各有不同的熔点(M.P.),但其主要二元合金中以Sn63/Pb37183为最低,由于其液化熔点(Liquidus Point)与固化熔点(Solidus Point)的往返过程中,均无过渡期间的浆态(pasty)出现,也就是已将较高的液化熔点与较低的固化熔点两者合而为一,故称为共熔合金。且因其粗大结晶内同时出现锡铅两种元素,于是又称为共晶合金。此种无杂质合金外表很光亮之共熔组成Eutectic Composition)或共熔焊锡Eutectic Solder),其固化后之组织非常均匀,几无粒子出现。其合金比例之不同将影响到熔点变化,该变化之平衡相图(Phase Diagram,图请参考第12TPCA会刊。

         另一种组成接近共熔点的Sn60/Pb40合金,则在电子业界中用途更广,主要原因是Sn较贵,在焊锡性(Solderability)与焊点强度(Joint Strength)几无差异下,减少了3﹪的支出,自然有利于成本的降低。与前者真正共熔合金比较时,此60/40者必须经历少许浆态,故其固化时间稍长,外观也较不亮,但其焊点强度并无不同。不过后者若于其固化过程中受到外力震动时,将出现外表颗粒粗麻之扰焊现象(Disturbed)之焊点,甚至还可能发生缩锡Dewetting)之不良情形。

 

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3.焊料之特性

       除了焊锡性好坏会造成生产线的困扰外,焊点强度 Joint Strength)更是产品后续生命的重点。但若按材料力学的观点,只针对完工焊料的抗拉强度(Tensile Strength)与抗剪强度(Shear Strength)讨论时,则并不务实。反而是高低温不断变换的长期热循环(Thermal Cycling,又称为热震荡Thermal Shock)过程中,其等焊点由于与被焊物之热胀系数(TCE)不同,而出现塑性变形(Plastic Deformation),再进一步产生潜变(Creep)甚至累积成疲劳(Fatigue)才是重点所在。因此等隐忧迟早会造成焊点破裂(Crack)不可收拾的场面,对焊点之可靠度危害极大。

     组件的金属引脚与组件本体,及与板面焊垫之间的热胀系数(TCE)并不相同,因而在热循环中一定会产生热应力(Stress)进而也如响应斯的出现应变(Strain),多次热应力之后将再因一再应变而疲劳Fatique),终将使得焊点或封装体发生破裂,此种危机对无脚的SMD组件影响更大。现将常见共熔焊料之一般机械性质整理如下:

3.1共熔点63/37的焊料,其常温中的抗拉强度(Tensile Strength)为7250 PSI,而常见冷轧钢(Cold Rolled Steel)却高达64,000 PSI,但此抗拉强度对焊点强度的影响反不如抗剪强度(Shear Strength)来的大,若加入少量锑后成绩会较好。至于展性(Ductility)与弹性模数(Elastic Modulus)则63/37者均比其它高熔点者二元合金要更好,两合金之导电导热则比纯锡差,且随铅量增加时会呈少许下降。一般63/37者其强度较其它比例更好。多锡者也比多铅者为强。

3.2各种比例的锡铅合金焊料,其强度均比单独锡铅金属较好。比重值则随铅量愈多而增大,呈液态时表面张力与合金比例的关系不大。

3.3焊点抗潜度(Creep)能力的好坏,对可靠度的重要性将远超过抗拉强度。不幸的是愈接近共晶比例而结晶粒子愈粗大者,其潜变也愈大。而柱状结晶的抗潜变能力也不如等轴结晶(Equiaxial)者。焊点合金在长期的负荷下会出现原子结晶格子(Atom Lattice)的重整;也就是焊点经长时间劣化下,最后终究会发生故障,原因当然是长时间应力而带来过度应变而成疲劳所致。

3.4焊点强弱与助焊剂,焊锡性及IMC有关,由许多试验结果可知,强度与填锡量多少无关,锡量太多反而无益。焊接时间不宜超过5秒,愈久愈糟,焊温也不可太高。

  

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4.低温与高温焊锡

上述共熔焊锡之熔点为183,某些对高温敏感的组件而言,其组装时需用到熔点低于183者,称为低温焊锡Low Temperature Solder),其实用配方中需另外加入铋(BismuthBi)与铟(IndiumIn)。由于加入此二者所形成的焊料都存在着某些缺点(如强度不足),故量产工业尚无法以取代锡铅之共熔焊料。加入铋之冷却后焊点,不易出现膨胀情形,会对焊点造成额外的应力,此种焊点强度不足的隐忧较焊锡性不良更糟。而铟却由于价格太贵也无进入量产用途。至于高温焊料者则以含银者最常见,现分述于后:

4.1含铋焊料

含铋焊料除了焊点会稍有膨胀之不良外,尚因其焊温甚低,有时会导致助焊剂无法全然发挥其活性,以致造成缩锡等焊锡性不良问题。再者是含铋时容易氧化,致使焊点强不足。此点对安全用电的保险丝(Fuses)而言尤其重要,一旦氧化后经常会造成该断而未断之情形,安全上将大打折扣。

4.2含铟焊料

    含铟之焊锡也会有焊点强度不足的烦恼,且价格不十分昂贵,但也具有一些优点,如:

(1)沾锡性(Wettability)非常良好。

(2)展性(Ductility)良好,可呈现极佳的抗疲劳性(Fatigue Resistance),甚至还优于锡铅之共熔合金。

(3)焊接动作与锡铅共熔焊料相比较时,就黄金成份熔入所造成的缺失,则含铟焊点者较为轻微。

4.3含银焊料

    当零件脚或板面焊垫之表面处理为镀银表面时,则其焊料中若添加少许银份时,则可大大减缓外界银份熔入的缺点。但此等熔点较高的含银焊料通常焊锡性都不好,焊点外表昏暗,机械强度也不足。

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5.焊料与制程

5.1合金互熔

锡铅二元合金之焊料,事实上是锡熔进铅中,而所谓的Solder即是二者之溶液而已。高温焊接中板面承垫中的铜份也会融入铅与锡中,也就是铜原子会扩散进入熔融的焊料内,并在焊料与底铜之间形成居中的接口层IMCCu6 Sn5),也唯有如此才能真正的焊牢。一但焊垫外表发生铜面氧化物或其它表面污染物时,则会阻止铜份的扩散而无IMC的产生,以致无法焊牢。并出现所谓缩锡(Dewetting)或不沾锡(Non-Wetting)等焊锡性不良的表征。

5.2沾锡过程

沾锡(Wetting)亦称为Tining,其动作说时迟那时快,首先是高温中助焊剂展现活性(Activity),迅速去除金属焊垫表面的氧化物或污物或有机护铜剂等(如Entek),使熔融的焊锡与底铜(或底镍等其它可焊金属)之间,迅速产生如树根般的一薄层界面合金共化物Inter Matalic Compound  Intermetallic  Compound Cu6 Sn5),而沾锡及焊牢。

在焊点外观上可见到焊料向外向上扩张地盘的动作,其地盘外缘有一种//三相交会处,隐约中似乎出现蓄势待发而奔出的小角度,特称之为沾锡性的接触角(Contact Angle ,θ),亦称为如喷射机般的双反斜角(Dihedral Angle)。此接触角度愈小,则沾锡性或焊锡性也愈好。

实际上沾锡力量(Wetting Force)是受到几股力量的影响。下图即为其等力量平衡及冷却后的焊点断面说明,现以浅显易懂的语言配合图面说明诠释(请参考第12TPCA会刊)

θ=双反斜角,接触角,或常说的沾锡角。

=接口之间所出现的表面能(Surface Energies)或力量,系指清洁铜面对焊锡金属的亲和力,亦即产生IMCCu6 Sn5)时互亲的力量,也就所谓的焊键(Solder Bond)。但铜对铅则不会产生任何亲和力。

rsr=地盘外缘固相与汽相之间的力量,即液锡向外扩张时所呈现的附着力(Adhesive Force) 此力量愈大时沾锡角愈小,焊锡性也愈好。

rls=液相与地盘内固相之间的亲合力量,必须要先生成IMC时才会表现出力量,且此力几乎是固定不变的。对整体而言此力只会呈现液相本身向内收缩的内聚力(Cohesive Force),对向外扩张并无帮助。

rlv=液相与汽相间的力量,此力又可再解析成为垂直分力(rlv˙sinθ) 与水平分力(rlv˙cosθ); 后者表现得愈大时,沾锡性或焊锡性也愈好。

    由图中公式rsr=rls+rlv˙cosθ,向外扩张的沾锡力量想要最大时,则其水平分力(rlv˙cosθ) 也应最大,也就是θ角要愈小愈好。当θ=0 时,则cosθ=1,于是向外扩张的沾锡力量rsv也变成最大(亦即焊锡性最好)。

 

5.3 界面合金共化物IMC

    焊接动作之所以能够焊牢,最根本的原因就是焊锡与底金属铜面之间,已产生了IMC(Intermatallic Compound Layer) 之良性接口合金共化物Cu6 Sn5,此种如同树根或家庭中子女般之接口层,正是相互结合力之所在。但IMC有时也会在焊锡主体中发现,且呈现粒状或针状等不同外形。其液态时成长之初的厚度约为0.5-1.0μm之间,一旦冷却固化IMC后还会缓缓继续长厚,而且环境温度升高时还将会长的更快,最好不要超2μm。久了之后在原先Cu6,Sn5 η–phase(η为希腊字母,读做Eta)良性IMC,与底铜之间还会另外生出一层恶性ε-phase(: ε 读做Epsilon) Cu3 Sn.  此恶性者与原先良性者本质上完全不同,一旦ε-phase出现后其焊点强度即将渐趋劣化,脆性逐渐增加,IMC本身松弛,甚至整体焊点逐渐出现脱裂浮离等生命终期的到来。

    一般IMC的性质与所组成的金属完全不同,常呈现脆性高、导电差,且很容易钝化或氧化等进一步毁坏之境界。并具有强烈惰性顽性,一般助焊剂均无法加以清除。常见之IMC除了铜锡之间者,尚有锡镍、锡银、与锡金甚至锡铁等IMC,其等后续平均成长之速度与活化能等比较列表如下:

  各种IMC后续平均成长速率之比较

IMC种类

(焊温中初生)

IMC示性式

扩散系数

(m2/s)

活化能

(J/mol)

Cu/Sn/

(接近共熔组成者)

Cu6Sn5,Cu3Sn

     1×106

80,000

Ni/Sn 镍/锡

Ni3Sn2,Ni3Sn4,Ni3Sn

2×107

68,000

Fe/Sn 铁/锡

FeSn,FESn2 

2×109

62,000

Au/Sn 金/锡

AuSn,AuSn2,AuSn4

3×104

73,000

Ag/Sn 银/锡

Ag3Sn

8×109

64,000

                                        

要注意的是上述铜锡之间IMC的成长情形,系针对其共熔组成的焊料(63/67)而言,其它锡铅比合金对铜生长IMC的速率,则又有不同;但其扩散的过程都是来自底铜中的铜原子而向焊锡中逐渐渗入,且随周遭温度之上升而加速。

 

 5.4焊点之微结构

    锡与铅此二元合金(Binary Alloy)会以任何比例形成各种协调的合金,而其共熔点(Eutectic pointSn63/pb37 之合金,若仔细观察时会呈现一种多铅溶入锡中的一种固溶体(Solid Solution)。若其熔融液态合金慢慢冷却时,会形成一种粗大结晶(Coarse-Grained)状的合金晶粒,且在结晶中会同时出现两种元素故称为共晶,但在其它重量比之各种组成则所见不多。

其实此种粗大的结晶对焊点强度反而不好,必须具备细晶(Fine-grained)的结构者,其强度(strength)与抗疲劳性(Fatigue-resistance)才会更好。不过后续遭遇其它高温的机会也还能改变上述的粗大结晶。至于其它不同成份的焊锡,其结晶组织也各有不同。当组成离开共晶点而往铅方向移动者,其合金将呈现展性(Ductility)增加及抗潜变(Creep)降低之情形。当朝向锡方向前进时;则抗潜变与硬度都会少许增加。

    但当合金组成变为Sn96/Pb4 时,则将成为一种单相的焊锡合金。其结构已不再随温度循环以及热遭遇(Thermal Exposure)而改变,故强度反而提高,展性减少,抗潜变能力也更好,抗疲劳性也增强。然而在PCBA无法忍受太高焊温的现实下,故只好仍沿用接近熔点较低的共晶点焊锡,表面黏装组件(SMD)尤其如此。为了挽救其焊点强度之不足,还可实行下列补强性的措施:

·             减少板面焊垫与零件以及焊点三者之间热胀系数的落差。

·             选择适当的焊点外形以减少应力及应变。

·             放弃无引脚的组件,采用伸脚或勾脚者,以缓冲胀缩的差异。

·             选择适宜合金比率的焊料。

业界早期曾使用过一种颇为清洁的蒸气焊接Vapor Soldering)制程,即因其焊点结晶十分粗糙而强度不足,再加上其它原因,目前已被淘汰。

5.5焊点的后续故障Solder Joint Failure

 

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