白蓉生细说无铅回焊

白蓉生细说无铅回焊

一、前言

所谓的Reflow，在表面贴装工业（SMT）中，是指锭形或棒形的焊锡合金，经过熔融并再制造成形为锡粉（即圆球形的微小锡球），然后搭配有机辅料（助焊剂）调配成为锡膏；又经印刷、踩脚、贴片、与再次回熔并固化成为金属焊点之过程，谓之Reflow Soldering（回流焊接）。此词之中文译名颇多，如再流焊、回流焊、回焊（日文译名）熔焊、回焊等；笔者感觉这只是将松散的锡膏再次回熔，并凝聚愈合而成为焊点，故早先笔者曾意译而称之为“熔焊”。但为了与已流行的术语不至相差太远，及考虑字面并无迂回或巡回之含意，但却有再次回到熔融状态而完成焊接的内涵，故应称之为回流焊或回焊。

图1左图为位于观音工业区的协益电子公司，其SMT现场安装之锡膏印刷机，为了避免钢板表面之锡膏吸水与风干的烦恼起见，全机台均保持盖牢密封的状态。右为开盖后所见钢板、刮刀及无铅锡膏刮印等外貌。

SMT无铅回焊的整体工程与有铅回焊差异不大，仍然是：钢板印刷锡膏、器件安置（含片状被动组件之高速贴片，与异形零件大形组件之自动安放）、热风回焊、清洁与品检测试等。不同者是无铅锡膏熔点上升、焊性变差、空洞立碑增多、容易爆板、湿敏封件更易受害等烦恼，必须改变观念重新面对。事实上根据多年量产经验可知，影响回焊质量最大的原因只有：锡膏本身、印刷参数以及回焊炉质量与回焊曲线选定等四大关键。掌握良好者八成问题应可消弭之于无形。

二、锡膏的制造与质量

2.1锡膏组成与空洞

锡膏是由重量比88-90％的焊料合金所做成的微小圆球（称为锡粉Powder），与10-12％有机辅料

图2 锡稿回焊影响其锡性与焊点强度方面的因素很多，此处归纳为五大方向，根据多年现场经验可知，以锡膏与印刷及回焊曲线（Profile）等三项占焊接品质之比重高达七八成以上，以下本文将专注于此三大内容之介绍，至于机器操作部分将不再著墨。（即通称之Flux助焊剂）所组成；由于前者比重很大（7.4-8.4）而后者的比重很轻（约在1-1.5），故其体积比约为1：1。SAC无铅焊料之比重较低（约7.4），且因沾锡较差而需较多的助焊剂，因而体积比更接近1：1。故知锡粉完成愈合形成焊点之回焊后，其浓缩后的体积将不足印膏的一半。一旦外表先行冷却固化，深藏在内的有机物势必无法逃出，只好被裂解吹胀成为气体。此即锡膏回焊之各种焊点中，气洞或空洞（Voiding）无所不在的主要成因，其数量与大小均远超过波焊。

图3 无铅锡膏中之锡粉(Powder指微小球体)约占重量比88-90%，必须正圆正球形才能方便印刷中的滑动。由于硬度较软容易被压伤，故搅拌时要小心。左二图即为无铅锡粉之放大图。右图为锡膏中大小锡粉搭配成型的印著画面。

现行无铅锡膏以日系SAC305为主（欧系SAC3807，或美系SAC405等次之），日系尚另有SZB83，及SCN等。至于AIM公司的著名锡膏CASTIN（Sn2.5Ag0.8Cu0.5Sb）之四元合金在亚太地区则很少见到。

2.2锡粉制造与质量

将原始焊锡合金在氮气环境中先行熔成液态，继以离心力容器将之甩出来成为小球状的锡粉；或采氮气强力喷雾法，在氮气高塔中冷却及下降而成为另一种锡粉。

图4 锡粉是从熔融液锡所成形而调制，左图为氮气塔中利用强力氮气喷成粉体之情形，右为液锡在离心力设备上甩出成粉的另一种制程。

之后分别用筛子筛选出各种直径的小球，然后再按尺寸大小采重量比例去与助焊剂调配与混合，即成为回焊用的锡膏。

对于锡粉的基本要求比起助焊剂来较为简单，其质量重点只要求外形一定要正圆球形，以符合印刷作业中向前滚动的条件。其次是直径尺寸应大小匹配互补，以减少印刷后贴件或踩脚时的坍塌（Slump）。第三项质量是外表所生成的氧化物不可太厚，否则

在助焊剂未能彻底清除下，熔融愈合中将会被主体排挤出去而成为不良的锡球。不过一旦外表完全无氧化物时，也较有机会发生“冷熔”（Cold Welding）现象进而容易堵死钢板开口。通常要求开口之宽度以并迭5-7颗主要锡球为原则。

2.3助焊剂之成份及品质

助焊剂（Flux）之成份非常复杂，已成为影响锡膏乃至于回焊质量之最关键部份，且更成为品牌好坏的主要区别所在。其主要成份有树脂（Resin）、活化剂（Activator）、溶剂（Solvent）、增黏剂（Tackifier即摇变剂）、流变添加剂（Rheological Additives）亦称抗垂流剂（Thixotropic Agent，或称摇变剂或触变剂或流变剂等）、表面润湿剂（Surfactant）、腐蚀抑制剂等，现简要说明于后：

树脂——也就是整体助焊剂的基质，一向以水白式松香（Rosin或称松脂）为主，常温中80-90％为固体形式的松脂酸（Abietic Acid），高温中将熔融成为液体并展现活性（常温中不具活性），可用以去除焊料或待焊底材等某些表面轻微的氧化物。

活化剂——以二元式固体有机酸为主（指含两个羧酸根COOH者），例如草酸、己二酸；其次是固态的卤化盐类〔例如二甲胺盐酸(CH3)2NH HCL〕等，在高温中亦可熔化成液态而得与各类氧化物进行反应，可将之去除并得以改善沾锡性。

各种活化剂去锈（去除氧化物）的原理，其一可说明为有机酸或卤酸与各种金属氧化物在热能的协助下，进行多次化学反应，使之转变为可溶性金属卤化盐类而得以移除：

图7 此图说明印妥之锡膏在预热中，会引发锡粉表面甚至铜垫的氧化，但到达峰温时，在助焊剂迅速发挥威力下可对各种氧化物进行化学反应并使之溶解，进而出现锡粉的熔融愈合。在此等反应进行的同时也将出现金属盐类与多量的气体，以致冷却后的焊点中免不了会出现空洞

其二为氧化还原反应，以甲酸（蚁酸）将金属氧化物予以还原，并再经后续之热裂解反应，最具代表性：

MO＋2HCOOH→M(COOH)2＋H2O

M(COOH)2→M＋COn＋H2

溶剂——以分子量较大的某些高级醇类，或醚类酮类等较常被采用，可用以溶解某些固态的有机物；例如M-Pyrols即为著名的溶剂化学品。

抗垂流剂——此剂可在锡膏运动或摇动（触动）中，出现较易流动现象；但在静置时却又会坚持抗剪力，而具有不轻易移动特性的化学品。如此将可使锡膏在刮刀推行印刷时容易滚动，一旦印着定位后的锡膏，则又可强力协助其保持固定不动的状态。此类添加剂以篦麻油衍生物为主，可增加锡膏的黏度及黏着力（Tack Force）。

2.4锡膏等级与配制

按照J-STD-005锡膏规范（表2A与2B，见次页），依比例选出表列各种直径的锡粉，然后搭配助焊剂，于特殊“双行星轨道”之混搅机中进行轻柔搅拌（Double Planetary Mixing）中，在不伤及锡粉下可使均匀混合成为锡膏。此种“双行星”搅拌方式，是利用两具双拌桨，从同一轴心对容器内的膏体进行慢速旋转搅拌。该四桨叶是以其厚度方向从膏体的外缘连续划过，逐渐逼使内外膏料产生高效率的混合，只要划过3圈后，大部膏料均已完成彼此混合；旋转36圈后，任何一桨均已与全部成员完成接触，是一种很温柔但却高效的搅拌机。

锡膏在印刷刮刀之水平推行中不但要容易滚动，而且穿过钢板开口着落在PCB焊垫上还要黏牢，要求印后十小时以内，或于零件踩脚时，均不可发生坍塌的情形。故知其商品之难度颇高，质量亦非常讲究。