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1996.6的Amendment 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-571。IPC还有一份重要的焊接手册IPC-HDBK-001其中之4.1，曾定义“熔点”在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。

2.共熔(晶)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/Pb37之183℃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12期TPCA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。

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。

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（Bismuth，Bi）与铟（Indium，In）。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。

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IMC（Cu6 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“固/液/气”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12期TPCA会刊)。

θ角=双反斜角，接触角，或常说的沾锡角。

ｒ=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IMC （Cu6 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。

r sr=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