焊锡材料的种类

焊锡材料的种类
焊锡以铅-锡(Pb-Sn)二元合金为主要的种类，铅-锡合金的共晶点在183 ℃，61.9wt%锡之处(见图9-25所示的铅-锡合金相图)，因此37%铅-63% 锡合金被称为共晶焊锡，在电子构装的应用中亦以接近共晶成份的焊锡(40%铅-60%锡)为主。

焊锡可借调整其中铅锡的比例改变其熔点以符合制程之需求，许多不同化学成份的焊锡合金也因此被发展出来(见表9-12所示之常用焊锡特性)，一般而言，高铅含量的焊锡适用于温度较高的焊接制程；高锡含量的焊锡则专供有防蚀特殊需求的焊接使用。

在焊接过程中，熔融的锡很容易与其它金属反应形成介金属化合物，常见的锡介金属化合物种类如表9-13所示。

介金属化合物脆性高，也会影响焊锡的表面张力与润湿性，一般而言过量介金属化合物的存在有害焊点的性质。

研究显示介金属化合物的成长是一个扩散控制的过程[2]，故焊接过程中应尽可能将低接合温度，缩短焊接时间，以使介金属化合物的形成量降
至最低。

焊锡中可添加少量元素以改善其性质。

例如，添加低于2%的银可以提高机械强度而不致严重损坏焊锡性质，并可使焊锡在镀银表面进行接合时不致因银的熔解而降低其润湿性；添加锑亦可提高焊锡机械强度并降低其成本，但其添加量以3.5%为上限；添加铜的目的在减少铜的溶解速度，延长铜焊接工具的使用寿命，但过量的铜会造成砾状焊点(Gritty Joint) ；添加铟的焊锡可以提升其在陶瓷表面的润湿性，铟同时可以抑制金在焊锡中的溶解；铟、铋、镉可与铅、锡组成熔点低于铅锡共晶温度的合金，适合低温之焊接制程与高热敏性的元件焊接之应用。

为了避免铅在制程中的污染，无铅焊锡因而成为焊锡研究的重点之一，举例而言，95% 锡-5%锑与96.5%锡-3.5%银为高强度焊锡，具有抗疲劳与潜变破坏的特性；80%金-20%锡与65%锡-25%银-10%锑为焊点强度有特殊需求的焊锡。

9-10-2. 焊膏
焊锡可以利用气相微粒化(Gas Atomization)或旋转(Spin Disk)微粒化技术制成5至150mm直径的合金粉粒，再混合助焊剂与黏结剂等制成焊膏以供构装元件接合之用。

焊膏的开发源自于厚膜混成(Thick Film Hybrid) 构装制程，今日它在表面黏着型元间接合中有广泛的应用。

使用焊膏的优点为制程简单，不须使用复杂的焊接设备，仅需以网印或镂印( Stencil Printing)将焊膏涂布于焊垫表面，放上构装元件后施予回流热处理即可完成接合。

早期的焊膏由重量比相近的铅与锡粉末、氯化锌与矿油酯蜡组成，今日焊膏中可能有10到15种成份，铅、锡的比例亦有各种变化。

9-10-3. 助焊剂
助焊剂不仅为焊膏的重要成份之一，也是构装元件与电路板接合制程中必要的材料。

助焊剂的功能包括清洁焊垫表面，增高焊锡与焊垫金属间的润湿性，提供适当的腐蚀性、发泡性(Foaming)、挥发性与黏滞性，以利焊接制程的进行。

助焊剂的主要成份为活化剂(Activator)、载剂、溶剂与具特殊功能的添加物。

活化剂为具有腐蚀性的化学物质，它的种类决定助焊剂的活性，助焊剂也依其传导性与活性高低区分为L( Low
Activity)，M(Moderate Activity)，H(High Activity)等三个等级[2]
，或以活化剂的种类与特性区分为R(Rosin)、RMA(Rosin Mildly Activated) 、RA(Rosin Activated)、RSA(Rosin Super Activated)、SA(Synthetic Activated) 、OA(Organic Acid)、IA(Inorganic Acid)等数种，其中R、RMA与RA三类大
约相当与L等级。

高活性助焊剂以盐酸、溴酸、磷酸与胺氢卤化物(Amine Hydrohalides)为活化剂；中、低活性的助焊剂则以羧酸( Carboxylic Acids)、脂肪酸(Fatty Acids)等为活化剂；助焊剂的活性愈高，清洁的效果愈佳，但腐蚀的作用也愈强。

载剂为固体或非挥发性液体，它是焊接过程中携带助焊剂中的活化剂使与金属表面接触的载体，它同时也具有热传导与抗氧化的作用。

在非水溶性天然松酯(Rosin-base)助焊剂中，载剂通常为由松节油(Oleorosin)提炼出来的松酯胶(Gum Rosin)；在非水溶性合成树酯(Resin-base)助焊剂中，载剂通常为由松木提炼的
合成树脂(Wood Rosin)及由纸浆制程提炼而得的高油树脂(Tall Oil Rosin) ；在水溶性有机助焊剂中，载剂则为乙二醇类(Glycols)、甘油醇(Glycerols) 与表面活化剂的混合。

溶剂为在焊接过程中传送助焊剂所有成份到电路板后，随即受热挥发以防止溅洒(Spattering)的载体，常见的溶剂有乙
醇(Alcohols)、乙二醇醚(Glycol Ethers)、脂肪烃(Aliphatic Hydrocarbons) 、松油烃(Terpene Hydrocarbons)与水等，沸点高的溶剂常使用于固体
助焊剂中。

助焊剂中也常添加各种特殊成份以强化其功能，例如，添加表面活化剂(Surfactants)以提升其发泡性；添加安定剂(Stabilizers)以增加其热稳定性；添加抑制剂(Inhibitors)以调整其腐蚀性；添加流变控制剂与凝块剂(Tackifers)以改变其黏滞性；添加色素(Dyes)做为助焊剂着色之用；填充于焊锡线中心的助焊剂又常添加有塑化剂。

依其中所含的载剂种类，助焊剂可以区分为天然松酯类助焊剂、合成树酯类助焊剂、水溶性有机(Water-soluble，WS)助焊剂与合成活
化(Synthetic Activated，SA) 助焊剂等四种。

松酯类助焊剂具有的活性最低，优良的绝缘性与疏水性及易于以一般溶剂除去的优点使其成为最常见的助焊剂。

合成树酯类助焊剂指所有不含天然松酯载剂的助焊剂，它可以借氢化、聚合化、酯化等反应改善树酯的特性，以使其具有比松酯类助焊剂更优良热稳定性、硬化性、黏滞性等，也可以将其转化成胺/聚乙二醇加成物( Amine/Polyglycol Adduct)而应用于水溶性助焊剂中，因此在焊接制程中的应用也相当广泛，但合成树酯助焊剂有不易以溶剂洗去的缺点。

水溶性有机助焊剂可以在焊接完成后以水洗除去，因其中所含的卤化物与酸剂的比例较高，故水洗的步骤应求快速以免造成腐蚀。

合成活化助焊剂的活性与水溶性助焊剂相似，它可以形成外观品质优良的焊点，但清洗时须使用氟化或氯化溶剂。

助焊剂的选择应考虑产品功能、规格、元件与电路板焊接能力、接合制程、清洁方法、成本与污染防治等因素，例如，军用或通讯电子、非镕接性构装元件、高元件密度之接合宜采用低活性助焊剂；镕接性构装元件、焊接能力不佳或污染表面之焊接可使用高活性助焊剂；使用有机清洁溶剂时可以使用松酯、树酯或合成活化助焊剂等。

接合界面的金属种类也是决定助焊剂种类的因素之一，含卤酸活化剂的助焊剂适合除去铜表面的氧化层；含温和有机酸类活化剂的助焊剂适合铅锡表面的清洁；
含胺与强卤酸活化剂的助焊剂则适合银表面的清洁。

9-10-4. 焊接能力
焊接能力(Solderability)指焊锡是否能在金属表面润湿而完成接合的能力，焊锡与焊垫金属发生的机制可区分为润湿(Wetting)、无润湿(Nonwetting) 与反润湿(Dewetting)三种。

润湿机制指焊锡与焊垫金属之间能形成紧密接合，接合界
面之处能否产生介金属化合物常被用以判读润湿机制是否发生；无润湿机制指焊锡与焊垫金属之间没有合金反应发生，不能形成紧密接合；反润湿机制无关焊锡与焊垫金属之间的反应，其系指任何破坏润湿机制的外在因素，它属于小区域、局部性的润湿破坏，与大面积的无润湿机制不同。

焊接能力除了与焊接制程的条件有关之外，也与焊锡、助焊剂、焊垫金属种类与表面状态有关，在表面黏着型元件的焊接中，焊垫金属表面的清洁与前处理是重要步骤之一。

依污染的种类，焊垫金属表面可以用酸剂或有机溶剂清洁之，清洁后的金属表面再以热焊锡沉浸法( Hot Solder Dipping)镀上能与后续制程配合的焊锡合金或电镀技术依后续制程需要镀上镍、金、银、锡等保护层。

金属表面的焊接能力可以用沉浸-检视(Dip and Look)、润湿天平试验(Wetting Balance Test)、润湿时间试验(Wetting Time Test)等方法评定。

沉浸-检视法模拟元件焊接的条件将试片沉浸于焊锡中，再以目视检查其缺陷，它是使用最多的方法，缺点为仅能对焊接结果做主观的判定，对焊接过程的影响则无能为力；润湿天平试验测量润湿过程中表面张力的变化，它能提供数量化的测试结果，也能对整个焊接过程提出评估，设备昂贵则为其缺点；润湿时间试验可以用焊滴试验( Globule Test)
或旋转沉浸试验(Rotary Dip Test)进行之，前者以导线劈开一粒焊球，然后测量焊锡润湿导线表面所需的时间，后者以一转盘以不同的速度通过焊锡槽，再量测形成完全润湿的时间，但这些方法有耗时的缺点且亦只能提供定性、主观的判读结果。