无铅金属在喷锡上的应用

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最終金屬表面處理的代工成本比較
噴錫
化鎳金
OSP
化學錫 化學銀
價格,sf
9.0
35
11
30
30
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無鉛銲錫 For HASL
◆鑑於錫鉛噴錫（HASL） 製程目前仍是 佔居最終表面處理市佔率的最大比例 ， 為了因應無鉛時代的來臨，無鉛噴錫將 是 最佳的表面處理選擇。
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PCB最終金屬表面處理的選用 PCB最終金屬表面處理的選用
◆因應電路板製作完成後的各種組裝方式 目前業界常見的最終金屬表面處理的種 類為：
噴錫 浸銀 化學鈀 有機保焊膜 浸錫 化鎳浸金 電鍍鎳金
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各種金屬表面處理的市佔率
Persentage of every kind surface treatment(2003)
波焊條件：250℃，3~4秒接觸時間
Bridging No Bridging
Sn-0.7Cu
Sn-0.7Cu + Ni
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有證據顯示 Sn-0.7Cu 合金與 含鎳的Sn-0.7Cu合金在微晶構 造上有著很大的差別
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表面結晶構造的比較
Sn-0.7Cu Sn-0.7Cu + Ni
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銅面上的錫銅鎳合金橫切面
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錫銅鎳噴錫層中的錫分布
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錫銅鎳噴錫層中的銅分布
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錫銅鎳噴錫層中的鎳分布
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Sn-0.7Cu噴錫層中鎳對IMC層的影響 Sn-0.7Cu噴錫層中鎳對IMC層的影響 噴錫層中鎳對IMC
60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
HASL ENIG O SP Electroless Palladium Immersion Silve r Immersion Tin Ele ctrolytic Ni/Electrolytic Au
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各種金屬表面處理的預估市佔率
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鎳跑到哪裡去了呢？ 鎳跑到哪裡去了呢？
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鎳如何影響錫鎳如何影響錫-銅合金的性質
和“銅鎳”在IMC的結構有相似的六角形晶格
鎳取代銅？
晶格的直徑 幾乎相同 Cu6Sn5 Lattice Constants Melting Point a c 0.4125nm 0.5198nm 415 C Ni3Sn2 0.4190nm 0.5086nm 1246 C 1.6% difference 2.2% difference
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各種金屬表面處理的優缺點
◆浸錫（Immersion Tin）
優點： 優點：
均勻的銲錫面。
缺點： 缺點：
存放時間較短，對綠漆的攻擊性強，會長錫鬚 ，老化試驗後銲錫性不佳，IMC層增長快速。
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各種金屬表面處理的優缺點
◆電鍍鎳金（Electrolytic Ni/Au）
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錫槽成份的維護
◆有銅的成份來自PC板會熔入噴錫的合 金層裡。 ◆相對於錫鉛噴錫，銅是屬於不純物。 但是Sn-0.7Cu+ Ni的製程， 銅的共熔 比例只要低於0.85%即可。 ◆由於這種合金的密度較低，多餘的銅 在低溫時不會浮起錫渣。
成本低，良好的共平面，穩定的焊錫性與可靠。
缺點： 缺點：
不耐多次回焊的組裝方式，組裝時測試點無法導 通需印錫膏，易受到酸及高濕度環境的影響，保存 時間短，易刮傷， 電測需在OSP前。
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各種金屬表面處理的優缺點
◆化鎳浸金（ENIG）
優點： 優點：
良好的共平面，適合細線路設計，可當key pad ，穩定的焊錫性與可靠度。
◆ ◆ ◆ ◆
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似乎噴錫製程 無法生存在無鉛時代
！
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重大發現？ 重大發現？
Sn-Cu 合金加入鎳的噴錫已經在實際量產線 成功的生產超過一年了！
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鎳滲入錫鎳滲入錫-銅合金後的影響
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波焊時Ni對 波焊時 對Sn-0.7Cu的影響 的影響
優點： 優點：
硬金可當插卡，軟金可打金線，存放時間 較長。
缺點： 缺點：
成本太高，不做SMT 的焊接用途。
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各種金屬表面處理的優缺點
◆化學鈀（Pd Electroless）
優點： 優點：
成本比厚金低，存放時間常，適用在SMT 的焊接。
缺點： 缺點： 信賴性較差，成本高。
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鎳如何影響錫鎳如何影響錫-銅合金的性質
在結晶過程中，鎳合併在Cu6Sn5的晶 格 中改變了原本的晶核與成長的行為 所以錫銅鎳合金在融熔狀態有較好的流 動性，冷卻結晶後有較細緻的微晶結構。
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藉由SEM的觀察可以確定， 使用錫－銅－鎳的噴錫合金 中鎳存在IMC層裡。
噴錫焊料從63/37 錫鉛比改成Sn-0.7Cu+Ni的 主要需考量的點如下：
◆融點變高
合金 63/37 Sn/Pb Sn-0.7Cu+Ni 融點 183℃ 227℃ 製程溫度 250℃ 270℃ 製程範圍 77℃ 43℃
◆上錫速率較慢 上錫速率較慢
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235℃濕潤溫度的比較 ℃
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無鉛金屬在噴錫上的應用
Lead Free Solder
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簡報項目
◆無鉛焊接的發展與因應 ◆電路板最終金屬表面處理的選用 ◆無鉛噴錫製程介紹 ◆無鉛噴錫信賴性 ◆Customer List
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無鉛銲接發展的由來
◆ 鉛及其化合物皆為有毒的物質，人體吸收後會累積在體內， 造成神經系統、血液、腎臟及消化系統的傷害。 ◆ 鉛化物容易滲入地下水，會造成飲用水的潛在危機。 ◆ 近年來環保意識抬頭，歐盟因此決議於 2006年7月開始禁用 鉛、 鎘、汞、 鉻、 鹵素等高污染元素。
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各種金屬表面處理的優缺點
◆噴錫（ HASL ）
優點： 優點：
成本低，焊錫性佳，可靠度優良。
缺點： 缺點：
未來有鉛的問題，無法適用在細線 路設計，電路板會受到熱衝擊。
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各種金屬表面處理的優缺點
◆有機保焊膜（OSP）
優點： 優點：
◆Sn-0.7Cu+Ni的IMC層，在剛形成時是比 較厚的。但是，在老化過程中這個IMC 層並沒有明顯變厚且微結構很堅固。 ◆由於IMC層的穩定性良好，可使得保存 時間變長。
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噴錫後IMC層的結構與長成情形 層的結構與長成情形 噴錫後
Sn-0.7Cu As Coated Sn-0.7Cu+Ni Sn-3.0Ag-0.7Cu
光澤度 蝕銅量 成本 共晶成長 製程操作 保養 熔點 潤濕性
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垂直噴錫的基礎
上過助銲劑的PC板 熱風刀
融熔錫合金
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傳統垂直噴錫的參數
◆焊料溫度：260-270℃ ◆浸泡時間：2-5秒
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垂直的製程
已經有商業化的工廠成 功的使用Sn -0.7Cu+Ni的 噴錫製程
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Sn-0.7Cu+Ni的無鉛噴錫製程參數 的無鉛噴錫製程參數
噴錫製程的基本元素包括：
◆良好的板面清潔及使用耐高溫的助焊劑後可使得 銅面有較好的上錫效果。 ◆之後，板子會通過熱風刀，並移除多餘的錫料， 使得塗佈層能均一。
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製程參數控制範圍較小(含意) 製程參數控制範圍較小(含意)
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錫銀銅
優點: 優點:
◆ 熔點較低 ◆ 較早於日本市場上推廣
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錫銀銅
缺點： 缺點：
◆
但也發現，要能得到較佳的品質，此製程的作 業溫度也要高達 280℃ 以上才較安全。 這種製程的表面沒有光澤且呈現粒狀。 這種焊料會使得銅溶出的量增加，而導致錫槽 不易管控在規格內。 對不鏽鋼槽壁的咬蝕量較大。 更槽的頻率較快，且無法除銅渣。
缺點： 缺點： 高成本，會有鎳黑的異常發生，不易重工。
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各種金屬表面處理的優缺點
◆浸銀（Immersion Silver）
優點： 優點：
良好的共平面，穩定的焊錫性與可靠度，良好的外觀。
缺點： 缺點： 對環境敏感怕氯硫的污染，容易刮傷，操作範圍較窄 重工困難，電測需在浸銀前，保存期較短。
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無鉛銲錫發展的重要進程
◆1991年 ：美國參議院要求將電子焊料中鉛含量控制在0.1% 以下，逼到美國工業界強烈反對而夭折。 ：日本修法驅使企業界開發無鉛電子產品。 ◆1998年
◆2000年6月：美國IPC建議美國企業界於2004年實現全面無鉛化。 ◆2000年8月：日本JETTA建議日本企業界於2003年實現標準化無 鉛電子組裝。 ◆2003年2月：歐洲議會與歐盟部長會議組織，強制要求自2006年 6 月起，在歐洲市場上銷售的電子產品必須為無鉛 的電子產品。
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表面結晶構造的比較
Sn-0.7Cu Sn-0.7Cu + Ni
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鎳跑到哪裡去了呢？ 鎳跑到哪裡去了呢？
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鎳跑到哪裡去了呢？ 鎳跑到哪裡去了呢？
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鎳跑到哪裡去了呢？ 鎳跑到哪裡去了呢？
192hr at 120℃ 768hr at 120℃
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因應無鉛時代的噴錫(HASL)製程 製程 因應無鉛時代的噴錫
錫銅鎳合金
Alloy Sn-Cu-Ni Eutectic Melting Point 227℃ ℃
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Sn-0.7Cu+Ni的無鉛噴錫製程參數 的無鉛噴錫製程參數
◆整個流程的加熱和溫控系統必須結合動力及維 持銲料溫度在必要範圍內。 ◆設備的能力決定了是否能適應無鉛化的噴錫。 ◆目前的噴錫機沒做修改前，並非全部都可以適 用在無鉛噴錫。
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水平製程的基礎
助焊劑 預熱 焊料 風刀 清洗 烘乾
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水平的製程
已經有商業化的機台可成 功的使用Sn -0.7Cu+Ni的 噴錫製程
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有那些材料呢? 無鉛銲錫 有那些材料呢?
Sn-0.7Cu 合金 Sn-Ag-Cu 合金
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錫銅合金
優點: 優點:
◆ 成本較低廉 ◆ 較簡便
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錫銅合金
缺點: 缺點
◆會有較差的流平性及孔塞的問題。 ◆為了試著去消除這些缺點，製程溫 度須開高至 300℃ 以上 ，且不見得 能完全改善之。 ◆在這樣高溫的作業環境下，板子會 損壞，這是不被允許的。
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傳統水平噴錫的參數
◆焊料溫度：260-270℃ ◆傳輸速度：10-15 m/min ◆連結時間：0.5-1秒
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錫槽的腐蝕
◆無鉛錫銀合金較一般的錫鉛容易腐蝕槽體。 ◆這個趨勢是因為銀的加入而加速腐蝕，同時 錫-銀-銅合金中添加的磷也會助長腐蝕。 ◆由於Sn-0.7Cu+Ni的錫槽不含磷等成份因而腐 蝕的程度沒有那麼嚴重。
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錫鉛 錫-銅-鎳 錫-銀-銅 佳 佳 差 低 略高 高 低 略高 高 緩慢 抑制 加速 簡單 簡單 困難 容易 容易 困難 227℃ 217℃ 低 (183℃ ) ℃ 高 ( 227 ℃ ) 高 ( 217 ℃ ) 0.7sec(235℃ ) 0.68sec(255℃ ) 1.28sec(255℃ ) ℃ ℃ ℃
Persentage of every kind surface treatment (2006)
40.0% 30.0% 20.0% 10.0% 0.0%
HASL
ENIG
OSP
Electroless Palladium
Immersion Silver Immersion Tin
Electrolytic Ni/Electrolytic Au