SMT回流焊技术.doc

1、smt 贴片加工 回 流 焊 概 述 ： 回 流 焊 又 称 再 流 焊 ， 通 过 重 新 熔 化 预 先 放 置 的 焊 料 而 形 成 焊 点 ， 在 焊 接过 程 中 不 需 添 加 任 何 额 外 焊 料 的 一 种 焊 接 方 法 。 回 流 焊 与 波 峰 焊 相 比 有 如 下 优 点 ： 1. 焊 膏 定 量 分 配 ， 2. 精 度 高 、 焊 料 受 热 次 数 少 、 不 易 混 入 杂 质 且 使 用 量 较 少 ; 3. 适 用 于 各 种 高 精 度 、 高 要 求 的 元 器 件 ; 4. 焊 接 缺 陷 少 ， 6. 不 7. 良 焊 点 率 小 于 10pp

2、m。 红 外 再 流 焊 (1)第 一 代 -热 板 式 再 流 焊 炉 (2)第 二 代 -红 外 再 流 焊 炉 热 能 中 有 80%的 能 量 是 以 电 磁 波 的 形 式 红 外 线 向 外 发 射 的 。 其 波长 在 可 见 光 之 上 限 0.70.8um 到 1mm 之 间 ， 0.721.5um 为 近 红 外 ;1.55.6um 为 中 红 外 ;5.61000um 为 远 红 外 ， 微 波 则 在 远 红 外 之 上 . 升 温 的 机 理 ： 当 红 外 波 长 的 振 动 频 率 与 被 辐 射 物 体 分 子 间 的 振 动 频 率 一致 时 ， 就 会 产

3、生 共 振 ， 分 子 的 激 烈 振 动 意 味 着 物 体 的 升 温 。 波 长 为 18um 第 四 区 温 度 设 置 最 高 ， 它 可 以 导 致 焊 区 温 度 快 速 上 升 ， 提 高 泣 湿 力 。 优点 ： 使 助 焊 剂 以 及 有 机 酸 和 卤 化 物 迅 速 水 利 化 从 而 提 高 润 湿 能 力 ;红 外 加 热的 辐 射 波 长 与 吸 收 波 长 相 近 似 ， 因 此 基 板 升 温 快 、 温 差 小 ;温 度 曲 线 控 制 方便 ， 弹 性 好 ;红 外 加 热 器 效 率 高 ， 成 本 低 。 缺 点 ： 穿 透 性 差 ， 有 阴 影 效

4、 应 热 不 均 匀 。 对 策 ： 在 再 流 焊 中 增 加 了 热 风 循 环 。 (3)第 三 代 -红 外 热 风 式 再 流 焊 。 对 流 传 热 的 快 慢 取 决 于 风 速 ， 但 过 大 的 风 速 会 造 成 元 件 移 位 并 助 长 焊 点的 氧 化 ， 风 速 控 制 在 1.01.8m/s。 热 风 的 产 生 有 两 种 形 式 ： 轴 向 风 扇 产 生(易 形 成 层 流 ， 其 运 动 造 成 各 温 区 分 界 不 清 )和 切 向 风 扇 (风 扇 安 装 在 加 热 器外 侧 ， 产 生 面 板 涡 流 而 使 第 个 温 区 可 精 确 控 制

5、)。 基 本 结 构 与 温 度 曲 线 的 调 整 ： 1. 加 热 器 ： 管 式 加 热 器 、 板 式 加 热 器 铝 板 或 不 锈 钢 板 2. 传 送 系 统 ： 耐 热 四 氟 乙 烯 玻 璃 纤 维 布 ， 3. 运 行 平 稳 、 导 热 性 好 ， 但 不 能 连 线 ， 7. 适 用 于 小 型 热 板 型 不 锈 钢网 ， 适 用 于 双 面 PCB,也 不 能 连 线 ;链 条 导 轨 ， 可 实 现 连 线 生 产 4. 强 制 对 流 系 统 ： 温 控 系 统 ： 回 流 焊 工 艺 流 程 ： 1. 单 面 板 ： (1) 在 贴 装 与 插 件 焊 盘 同

6、 时 印 锡 膏 ; (2) 贴 放 SMC/SMD; (3) 插 装 TMC/TMD; (4) 再 流 焊 2. 双 面 板 (1) 锡 膏 -再 流 焊 工 艺 ， 完 成 双 面 片 式 元 件 的 焊 接 ; (2) 然 后 在 B 面 的 通 孔 元 件 焊 盘 上 涂 覆 锡 膏 ; (3) 反 转 PCB 并 插 入 通 孔 元 件 ; (4) 第 三 次 再 流 焊 。 无 铅 锡 膏 回 流 焊 的 注 意 事 项 1. 与 SMB 的 相 容 性 ， 包 括 焊 盘 的 润 湿 性 和 SMB 的 耐 热 性 ; 2. 焊 点 的 质 量 和 焊 点 的 抗 张 强 度 ;

7、 3. 焊 接 工 作 曲 线 ： 预 热 区 ： 升 温 率 为 1.31.5 度 /s， 温 度 在 90100s 内 升 至 150 度 保 温 区 ： 温 度 为 150180 度 ， 时 间 4060s 再 流 区 ： 从 180 到 最 高 温 度 250 度 需 要 1015s， 回 到 保 温 区 约 30s快 速 冷 却 无 铅 焊 接 温 度 （ 锡 银 铜 ） 217 度 4、 Flip Chip 再 流 焊 技 术 F.C 汽 相 再 流 焊 又 称 汽 相 焊 (Vapor Phase Soldering， VPS)， 美 国 最 初 用 于 厚 膜 集 成电 路 的

8、 焊 接 ， 具 有 升 温 速 度 快 和 温 度 均 匀 恒 定 的 优 点 ， 但 传 热 介 质 FC-70 价 格 昂 贵 ， 且 需 FC-113， 又 是 臭 氧 层 损 耗 物 质 优 点 ： 1. 汽 相 潜 热 释 放 对 SMA 的 物 理 结 构 和 几 何 形 状 不 敏 感 ， 使 组 件 均 匀 加热 到 焊 接 温 度 2. 焊 接 温 度 保 持 一 定 ， 无 需 采 用 温 控 手 段 ， 满 足 不 同 温 度 焊 接 的 需 要 3. VPS 的 汽 相 场 中 是 饱 和 蒸 气 ， 含 氧 量 低 4. 热 转 化 率 高 。 激 光 再 流 焊

9、1. 原 理 和 特 点 ： 利 用 激 光 束 直 接 照 射 焊 接 部 位 ， 3. 焊 点 吸 收 光 能 转 变 成 热 能 ， 、 加 热 焊 接 部 位 ， 使 焊 料 熔 化 。 5. 种 类 ： 固 体 YAG(乙 铝 石 榴 石 )激 光 器 。 1 编 辑 本 段 SMT 常 用 知 识 简 介1.一 般 来 说 ， SMT 车 间 规 定 的 温 度 为 237 。 2. smt 贴片加工 锡 膏 印 刷 时 ,所 需 准 备 的 材 料 及 工 具 : 锡 膏 、 钢 板 、 刮 刀 、擦 拭 纸 、 无 尘 纸 、 清 洗 剂 、 搅 拌 刀 。 3. 一 般 常

10、用 的 锡 膏 成 份 为 n96.5%/Ag3%/Cu0.5%。 4. 锡 膏 中 主 要 成 份 分 为 两 大 部 分 锡 粉 和 助 焊 剂 。 5. 助 焊 剂 在 焊 接 中 的 主 要 作 用 是 去 除 氧 化 物 、 破 坏 融 锡 表 面 张 力 、 防止 再 度 氧 化 。 6. 锡 膏 中 锡 粉 颗 粒 与 Flux(助 焊 剂 )的 体 积 之 比 约 为 1:1, 重 量 之 比 约为 9:1。 7. 锡 膏 的 取 用 原 则 是 先 进 先 出 。 8. 锡 膏 在 开 封 使 用 时 ， 须 经 过 两 个 重 要 的 过 程 回 温 、 搅 拌 。 9.

11、钢 板 常 见 的 制 作 方 法 为 ： 蚀 刻 、 激 光 、 电 铸 。 10. SMT 的 全 称 是 Surface mount(或 mounting)technology,中 文 意 思为 表 面 粘 着 （ 或 贴 装 ） 技 术 。 11. ESD 的 全 称 是 Electro-static discharge, 中 文 意 思 为 静 电 放 电 。12. 制 作 SMT 设 备 程 序 时 ， 程 序 中 包 括 五 大 部 分 , 此 五 部 分 为 PCB data; Mark data;Feeder data; Nozzle data; Part data。 13.

12、 无 铅 焊 锡 Sn/Ag/Cu 96.5/3.0/0.5 的 熔 点 为 217C。 14. 零 件 干 燥 箱 的 管 制 相 对 温 湿 度 为 90 度 时 表 示 锡 膏 与 波 焊 体 无 附着 性 ； 51. IC 拆 包 后 湿 度 显 示 卡 上 湿 度 在 大 于 30%的 情 况 下 表 示 IC 受 潮 且 吸湿 ; 52. 锡 膏 成 份 中 锡 粉 与 助 焊 剂 的 重 量 比 和 体 积 比 正 确 的 是 90%:10% ,50%:50%; 53. 早 期 之 表 面 粘 装 技 术 源 自 于 20 世 纪 60 年 代 中 期 之 军 用 及 航 空 电

13、子 领 域 ； 54. 目 前 SMT 最 常 使 用 的 焊 锡 膏 Sn 和 Pb 的 含 量 各 为 ： 63Sn 37Pb; 55. 常 见 的 带 宽 为 8mm 的 纸 带 料 盘 送 料 间 距 为 4mm; 56. 在 20 世 纪 70 年 代 早 期 ， 业 界 中 新 出 现 一 种 SMD, 为 “密 封 式 无脚 芯 片 载 体 ”， 常 以 LCC 简 代 之 ； 57. 符 号 为 272 之 组 件 的 阻 值 应 为 2.7K 欧 姆 ; 58. 100NF 组 件 的 容 值 与 0.10uf 相 同 ； 59. 63Sn 37Pb 之 共 晶 点 为 18

14、3 ; 60. SMT 使 用 量 最 大 的 电 子 零 件 材 质 是 陶 瓷 ； 61. 回 焊 炉 温 度 曲 线 其 曲 线 最 高 温 度 215C 最 适 宜 ; 62. 锡 炉 检 验 时 ， 锡 炉 的 温 度 245 较 合 适 ； 63. 钢 板 的 开 孔 型 式 方 形 、 三 角 形 、 圆 形 ,星 形 ， 本 磊 形 ; 64. SMT 段 排 阻 有 无 方 向 性 无 ； 65. 目 前 市 面 上 售 之 锡 膏 ， 实 际 只 有 4 小 时 的 粘 性 时 间 ; 66. SMT 设 备 一 般 使 用 之 额 定 气 压 为 5KG/cm2; 67.

15、 SMT 零 件 维 修 的 工 具 有 ： 烙 铁 、 热 风 拔 取 器 、 吸 锡 枪 、 镊 子 ； 68. QC 分 为 ： IQC、 IPQC、 。 FQC、 OQC; 69. 高 速 贴 片 机 可 贴 装 电 阻 、 电 容 、 IC、 晶 体 管 ; 70. 静 电 的 特 点 ： 小 电 流 、 受 湿 度 影 响 较 大 ； 71. 正 面 PTH, 反 面 SMT 过 锡 炉 时 使 用 何 种 焊 接 方 式 扰 流 双 波 焊 ; 72. SMT 常 见 之 检 验 方 法 : 目 视 检 验 、 X 光 检 验 、 机 器 视 觉 检 验 73. 铬 铁 修 理

16、零 件 热 传 导 方 式 为 传 导 对 流 ； 74. 目 前 BGA 材 料 其 锡 球 的 主 要 成 份 Sn90 Pb10, SAC305， SAC405; 75. 钢 板 的 制 作 方 法 雷 射 切 割 、 电 铸 法 、 化 学 蚀 刻 ； 76. 迥 焊 炉 的 温 度 按 ： 利 用 测 温 器 量 出 适 用 之 温 度 ; 77. 迥 焊 炉 之 SMT 半 成 品 于 出 口 时 其 焊 接 状 况 是 零 件 固 定 于 PCB 上 ； 78. 现 代 质 量 管 理 发 展 的 历 程 TQC-TQA-TQM; 79. ICT 测 试 是 针 床 测 试 ；

17、80. ICT 之 测 试 能 测 电 子 零 件 采 用 静 态 测 试 ; 81. 焊 锡 特 性 是 融 点 比 其 它 金 属 低 、 物 理 性 能 满 足 焊 接 条 件 、 低 温 时 流动 性 比 其 它 金 属 好 ； 82. 迥 焊 炉 零 件 更 换 制 程 条 件 变 更 要 重 新 测 量 测 度 曲 线 ; 83. 西 门 子 80F/S 属 于 较 电 子 式 控 制 传 动 ； 84. 锡 膏 测 厚 仪 是 利 用 Laser 光 测 : 锡 膏 度 、 锡 膏 厚 度 、 锡 膏 印 出 之宽 度 ; 85. SMT 零 件 供 料 方 式 有 振 动 式

18、供 料 器 、 盘 状 供 料 器 、 卷 带 式 供 料 器 ； 86. SMT 设 备 运 用 哪 些 机 构 ： 凸 轮 机 构 、 边 杆 机 构 、 螺 杆 机 构 、 滑 动 机构 ; 87. 目 检 段 若 无 法 确 认 则 需 依 照 何 项 作 业 BOM、 厂 商 确 认 、 样 品 板 ； 88. 若 零 件 包 装 方 式 为 12w8P, 则 计 数 器 Pinth 尺 寸 须 调 整 每 次 进8mm; 89. 迥 焊 机 的 种 类 : 热 风 式 迥 焊 炉 、 氮 气 迥 焊 炉 、 laser 迥 焊 炉 、 红外 线 迥 焊 炉 ； 90. SMT 零

19、件 样 品 试 作 可 采 用 的 方 法 ： 流 线 式 生 产 、 手 印 机 器 贴 装 、 手印 手 贴 装 ; 91. 常 用 的 MARK 形 状 有 ： 圆 形 ， “十 ”字 形 、 正 方 形 ,菱 形 ， 三 角 形 ,万 字 形 ； 92. SMT 段 因 Reflow Profile 设 置 不 当 ， 可 能 造 成 零 件 微 裂 的 是 预 热区 、 冷 却 区 ; 93. SMT 段 零 件 两 端 受 热 不 均 匀 易 造 成 ： 空 焊 、 偏 位 、 墓 碑 ； 94. 高 速 机 与 泛 用 机 的 Cycle time 应 尽 量 均 衡 ; 95.

20、 品 质 的 真 意 就 是 第 一 次 就 做 好 ； 96. 贴 片 机 应 先 贴 小 零 件 ， 后 贴 大 零 件 ; 97. BIOS 是 一 种 基 本 输 入 输 出 系 统 ， 全 英 文 为 ： Base Input/Output System; 98. SMT 零 件 依 据 零 件 脚 有 无 可 分 为 LEAD 与 LEADLESS 两 种 ； 99. 常 见 的 自 动 放 置 机 有 三 种 基 本 型 态 , 接 续 式 放 置 型 ， 连 续 式 放 置型 和 大 量 移 送 式 放 置 机 ; 100. SMT 制 程 中 没 有 LOADER 也 可 以

21、 生 产 ； 101. SMT 流 程 是 送 板 系 统 -锡 膏 印 刷 机 -高 速 机 -泛 用 机 -迥 流 焊 -收 板机 ; 102. 温 湿 度 敏 感 零 件 开 封 时 , 湿 度 卡 圆 圈 内 显 示 颜 色 为 蓝 色 ， 零 件 方可 使 用 ； 103. 尺 寸 规 格 20mm 不 是 料 带 的 宽 度 ; 104. 制 程 中 因 印 刷 不 良 造 成 短 路 的 原 因 ： a. 锡 膏 金 属 含 量 不 够 ， 造成 塌 陷 b.钢 板 开 孔 过 大 ， 造 成 锡 量 过 多 c. 钢 板 品 质 不 佳 ， 下 锡 不 良 ， 换激 光 切 割

22、 模 板 d.Stencil 背 面 残 有 锡 膏 ， 降 低 刮 刀 压 力 ， 采 用 适 当 的VACUUM 和 SOLVENT 105.一 般 回 焊 炉 Profile 各 区 的 主 要 工 程 目 的 ： a.预 热 区 ； 工 程 目 的 ：锡 膏 中 容 剂 挥 发 。 b.均 温 区 ； 工 程 目 的 ： 助 焊 剂 活 化 ， 去 除 氧 化 物 ； 蒸 发 多余 水 份 。 c.回 焊 区 ； 工 程 目 的 ： 焊 锡 熔 融 。 d.冷 却 区 ； 工 程 目 的 ： 合 金 焊点 形 成 ， 零 件 脚 与 焊 盘 接 为 一 体 ； 106. SMT 制 程

23、 中 ， 锡 珠 产 生 的 主 要 原 因 ： PCB PAD 设 计 不 良 、 钢 板 开孔 设 计 不 良 、 置 件 深 度 或 置 件 压 力 过 大 、 Profile 曲 线 上 升 斜 率 过 大 ， 锡 膏坍 塌 、 锡 膏 粘 度 过 低 。 编 辑 本 段 SMT 之 IMC简 介IMC 系 Intermetallic compound 之 缩 写 ， 笔 者 将 之 译 为 “介 面 合 金 共化 物 “。 广 义 上 说 是 指 某 些 金 属 相 互 紧 密 接 触 之 介 面 间 ， 会 产 生 一 种 原 子迁 移 互 动 的 行 为 ， 组 成 一 层 类

24、似 合 金 的 “化 合 物 “， 并 可 写 出 分 子 式 。 在 焊接 领 域 的 狭 义 上 是 指 铜 锡 、 金 锡 、 镍 锡 及 银 锡 之 间 的 共 化 物 。 其 中 尤 以 铜 锡间 之 良 性 Cu6Sn5(Eta Phase)及 恶 性 Cu3Sn(Epsilon Phase)最 为 常 见 ， 对焊 锡 性 及 焊 点 可 靠 度 (即 焊 点 强 度 )两 者 影 响 最 大 ， 特 整 理 多 篇 论 文 之 精 华 以诠 释 之 定 义能 够 被 锡 铅 合 金 焊 料 (或 称 焊 锡 Solder)所 焊 接 的 金 属 ， 如 铜 、 镍 、 金 、银

25、 等 ， 其 焊 锡 与 被 焊 盘 金 属 之 间 ， 在 高 温 中 会 快 速 形 成 一 薄 层 类 似 “锡 合 金“的 化 合 物 。 此 物 起 源 于 锡 原 子 及 被 焊 金 属 原 子 之 相 互 结 合 、 渗 入 、 迁 移 、及 扩 散 等 动 作 ， 而 在 冷 却 固 化 之 后 立 即 出 现 一 层 薄 薄 的 “共 化 物 “， 且 事 后还 会 逐 渐 成 长 增 厚 。 此 类 物 质 其 老 化 程 度 受 到 锡 原 子 与 底 金 属 原 子 互 相 渗 入的 多 少 ， 而 又 可 分 出 好 几 道 层 次 来 。 这 种 由 焊 锡 与 其

26、 被 焊 金 属 介 面 之 间 所 形成 的 各 种 共 合 物 ， 统 称 Intermetallic Compound 简 称 IMC， 本 文 中 仅 讨 论含 锡 的 IMC， 将 不 深 入 涉 及 其 他 的 IMC。 一 般 性 质由 于 IMC 曾 是 一 种 可 以 写 出 分 子 式 的 “准 化 合 物 “， 故 其 性 质 与 原 来 的金 属 已 大 不 相 同 ， 对 整 体 焊 点 强 度 也 有 不 同 程 度 的 影 响 ， 首 先 将 其 特 性 简 述于 下 ： IMC 在 PCB 高 温 焊 接 或 锡 铅 重 熔 (即 熔 锡 板 或 喷 锡 )时

27、才 会 发 生 ， 有 一定 的 组 成 及 晶 体 结 构 ， 且 其 生 长 速 度 与 温 度 成 正 比 ， 常 温 中 较 慢 。 一 直 到 出现 全 铅 的 阻 绝 层 (Barrier)才 会 停 止 (见 图 六 )。 IMC 本 身 具 有 不 良 的 脆 性 ， 将 会 损 及 焊 点 之 机 械 强 度 及 寿 命 ， 其 中 尤其 对 抗 劳 强 度 (Fatigue Strength)危 害 最 烈 ， 且 其 熔 点 也 较 金 属 要 高 。 由 于 焊 锡 在 介 面 附 近 得 锡 原 子 会 逐 渐 移 走 ， 而 与 被 焊 金 属 组 成IMC， 使

28、得 该 处 的 锡 量 减 少 ， 相 对 的 使 得 铅 量 之 比 例 增 加 ， 以 致 使 焊 点 展 性增 大 (Ductillity)及 固 着 强 度 降 低 ， 久 之 甚 至 带 来 整 个 焊 锡 体 的 松 弛 。 一 旦 焊 垫 商 原 有 的 熔 锡 层 或 喷 锡 层 ， 其 与 底 铜 之 间 已 出 现 “较 厚 “间距 过 小 的 IMC 后 ， 对 该 焊 垫 以 后 再 续 作 焊 接 时 会 有 很 大 的 妨 碍 ； 也 就 是 在 焊锡 性 (Solderability)或 沾 锡 性 (Wettability)上 都 将 会 出 现 劣 化 的 情

29、 形 。 焊 点 中 由 于 锡 铜 结 晶 或 锡 银 结 晶 的 渗 入 ， 使 得 该 焊 锡 本 身 的 硬 度 也 随之 增 加 ， 久 之 会 有 脆 化 的 麻 烦 。 IMC 会 随 时 老 化 而 逐 渐 增 厚 ， 通 常 其 已 长 成 的 厚 度 ， 与 时 间 大 约 形 成抛 物 线 的 关 系 ， 即 ： =k t， k=k exp( Q/RT) 表 示 t 时 间 后 IMC 已 成 长 的 厚 度 。 K 表 示 在 某 一 温 度 下 IMC 的 生 长 常 数 。 T 表 示 绝 对 温 度 。 R 表 示 气 体 常 数 ， 即 8.32 J/mole。

30、 Q 表 示 IMC 生 长 的 活 化 能 。 K=IMC 对 时 间 的 生 长 常 数 ， 以 nm / 秒 或 m / 日 ( 1 m / 日 =3.4nm / 秒 。 现 将 四 种 常 见 含 锡 的 IMC 在 不 同 温 度 下 ， 其 生 长 速 度 比 较 在 下 表 的 数 字中 ： 表 1 各 种 IMC 在 不 同 温 度 中 之 生 长 速 度 (nm / s) 金 属 介 面 20 100 135 150 170 1. 锡 / 金 40 2. 锡 / 银 0.08 17-35 3. 锡 / 镍 0.08 1 5 4. 锡 / 铜 0.26 1.4 3.8 10 注

31、 在 170 高 温 中 铜 面 上 ， 各 种 含 锡 合 金 IMC 层 的 生 长 速 率 ， 也 有所 不 同 ； 如 热 浸 锡 铅 为 5nm/s， 雾 状 纯 锡 镀 层 为 7.7(以 下 单 位 相 同 )， 锡 铅 比 30/70 的 皮 膜 为11.2， 锡 铅 比 70/30 的 皮 膜 为 12.0， 光 泽 镀 纯 锡 为 3.7， 其 中 以 最 后 之 光泽 镀 锡 情 况 较 好 。 焊 锡 性 与 表 面 能若 纯 就 可 被 焊 接 之 金 属 而 言 ， 影 响 其 焊 锡 性 (Solderability)好 坏 的 机理 作 用 甚 多 ， 其 中

32、要 点 之 一 就 是 “表 面 自 由 能 “(Surface Free Energy， 简称 时 可 省 掉 Free)的 大 小 。 也 就 是 说 可 焊 与 否 将 取 决 于 ： (1) 被 焊 底 金 属 表 面 之 表 面 能 (Surface Energy)， (2) 焊 锡 焊 料 本 身 的 “表 面 能 “等 二 者 而 定 。 凡 底 金 属 之 表 面 能 大 于 焊 锡 本 身 之 表 面 能 时 ， 则 其 沾 锡 性 会 非 常 好 ， 反之 则 沾 锡 性 会 变 差 。 也 就 是 说 当 底 金 属 之 表 面 能 减 掉 焊 锡 表 面 能 而 得 到

33、 负 值时 ， 将 出 现 缩 锡 (Dewetting)， 负 值 愈 大 则 焊 锡 愈 差 ， 甚 至 造 成 不 沾 锡(Non-Wetting)的 恶 劣 地 步 。 新 鲜 的 铜 面 在 真 空 中 测 到 的 “表 面 能 “约 为 1265 达 因 /公 分 ， 63/37 的焊 锡 加 热 到 共 熔 点 (Eutectic Point 183 )并 在 助 焊 剂 的 协 助 下 ， 其 表 面能 只 得 380 达 因 /公 分 ， 若 将 二 者 焊 一 起 时 ， 其 沾 锡 性 将 非 常 良 好 。 然 而 若将 上 述 新 鲜 洁 净 的 铜 面 刻 意 放

34、在 空 气 中 经 历 2 小 时 后 ， 其 表 面 能 将 会 遽 降到 25 达 因 /公 分 ， 与 380 相 减 不 但 是 负 值 (-355)， 而 且 相 去 甚 远 ， 焊 锡 自然 不 会 好 。 因 此 必 须 要 靠 强 力 的 助 焊 剂 除 去 铜 面 的 氧 化 物 ， 使 之 再 活 化 及 表面 能 之 再 次 提 高 ， 并 超 过 焊 锡 本 身 的 表 面 能 时 ， 焊 锡 性 才 会 有 良 好 的 成 绩 。 锡 铜 介 面 合 金 共 化 物 的 生 成 与 老 化当 熔 融 态 的 焊 锡 落 在 洁 铜 面 的 瞬 间 ， 将 会 立 即

35、发 生 沾 锡 (Wetting 俗 称吃 锡 )的 焊 接 动 作 。 此 时 也 立 即 会 有 锡 原 子 扩 散 (Diffuse)到 铜 层 中 去 ， 而铜 原 子 也 同 时 会 扩 散 进 入 焊 锡 中 ， 二 者 在 交 接 口 上 形 成 良 性 且 必 须 者Cu6Sn5 的 IMC， 称 为 -phase(读 做 Eta 相 )， 此 种 新 生 “准 化 合 物 “中 含 锡之 重 量 比 约 占 60%。 若 以 少 量 的 铜 面 与 多 量 焊 锡 遭 遇 时 ， 只 需 3-5 秒 钟 其IMC 即 可 成 长 到 平 衡 状 态 的 原 度 ， 如 240

36、 的 0.5 m 到 340 的 0.9 m。然 而 在 此 交 会 互 熔 的 同 时 ， 底 铜 也 会 有 一 部 份 熔 进 液 锡 的 主 体 锡 池 中 ， 形 成负 面 的 污 染 。 (a) 最 初 状 态 ： 当 焊 锡 着 落 在 清 洁 的 铜 面 上 将 立 即 有 -phase Cu6Sn5 生 成 ， 即 图 中 之 (2)部 分 。 (b) 锡 份 渗 耗 期 ： 焊 锡 层 中 的 锡 份 会 不 断 的 流 失 而 渗 向 IMC 去 组 新 的Cu6Sn5， 而 同 时 铜 份 也 会 逐 渐 渗 向 原 有 的 -phase 层 次 中 而 去 组 成 新

37、 的Cu3Sn， 即 图 中 之 (5)。 此 时 焊 锡 中 之 锡 量 将 减 少 ， 使 得 铅 量 在 比 例 上 有 所 增加 ， 若 于 其 外 表 欲 再 行 焊 接 时 将 会 发 生 缩 锡 。 (c) 多 铅 之 阻 绝 层 ： 当 焊 锡 层 中 的 锡 份 不 断 渗 走 再 去 组 成 更 厚 的 IMC时 ， 逐 渐 使 得 本 身 的 含 铅 比 例 增 加 ， 最 后 终 于 在 全 铅 层 的 挡 路 下 阻 绝 了 锡 份的 渗 移 。 (d) IMC 的 曝 露 ： 由 于 锡 份 的 流 失 ， 造 成 焊 锡 层 的 松 散 不 堪 而 露 出 IMC

38、底 层 ， 而 终 致 到 达 不 沾 锡 的 下 场 (Non-wetting)。 高 温 作 业 后 经 长 时 老 化 的 过 程 中 ， 在 Eta-phase 良 性 IMC 与 铜 底 材 之间 ， 又 会 因 铜 量 的 不 断 渗 入 Cu6Sn5 中 ， 而 逐 渐 使 其 局 部 组 成 改 变 为 Cu3Sn的 恶 性 -phase(又 读 做 Epsilon 相 )。 其 中 铜 量 将 由 早 先 -phase 的 40%增 加 到 -phase 的 66%。 此 种 老 化 劣 化 之 现 象 ， 随 着 时 间 之 延 长 及 温 度 之上 升 而 加 剧 ， 且

39、 温 度 的 影 响 尤 其 强 烈 。 由 前 述 “表 面 能 “的 观 点 可 看 出 ， 这种 含 铜 量 甚 高 的 恶 性 -phase， 其 表 面 能 的 数 字 极 低 ， 只 有 良 性 -phase的 一 半 。 因 而 Cu3Sn 是 一 种 对 焊 锡 性 颇 有 妨 碍 的 IMC。 然 而 早 先 出 现 的 良 性 -phase Cu6Sn5， 却 是 良 好 焊 锡 性 必 须 的 条 件 。没 有 这 种 良 性 Eta 相 的 存 在 ， 就 根 本 不 可 能 完 成 良 好 的 沾 锡 ， 也 无 法 正 确 的焊 牢 。 换 言 之 ， 必 需 要

40、在 铜 面 上 首 先 生 成 Eta-phase 的 IMC， 其 焊 点 才 有强 度 。 否 则 焊 锡 只 是 在 附 着 的 状 态 下 暂 时 冷 却 固 化 在 铜 面 上 而 已 ， 这 种 焊 点就 如 同 大 树 没 有 根 一 样 ， 毫 无 强 度 可 言 。 锡 铜 合 金 的 两 种 IMC 在 物 理 结 构上 也 不 相 同 。 其 中 恶 性 的 -phase(Cu3Sn)常 呈 现 柱 状 结 晶 (Columnar Structure)， 而 良 性 的 -phase(Cu6Sn5)却 是 一 种 球 状 组 织 (Globular)。下 图 8 此 为

41、一 铜 箔 上 的 焊 锡 经 长 时 间 老 化 后 ， 再 将 其 弯 折 磨 平 抛 光 以 及 微 蚀后 ， 这 在 SEM2500 倍 下 所 摄 得 的 微 切 片 实 像 ， 两 IMC 的 组 织 皆 清 晰 可 见 ，二 者 之 硬 度 皆 在 500 微 硬 度 单 位 左 右 。 在 IMC 的 增 厚 过 程 中 ， 其 结 晶 粒 子 (Grains)也 会 随 时 在 变 化 。 由 于 粒度 的 变 化 变 形 ， 使 得 在 切 片 画 面 中 量 测 厚 度 也 变 得 比 较 困 难 。 一 般 切 片 到 达最 后 抛 光 完 成 后 ， 可 使 用 专

42、门 的 微 蚀 液 (NaOH 50/gl， 加 1， 2-Nitrphenol 35ml/l， 70 下 操 作 )， 并 在 超 声 波 协 助下 ， 使 其 能 咬 出 清 晰 的 IMC 层 次 ， 而 看 到 各 层 结 晶 解 里 面 的 多 种 情 况 。 现 将锡 铜 合 金 的 两 种 IMC 性 质 比 较 如 下 ： 两 种 锡 铜 合 金 IMC 的 比 较命 名 分 子 式 含 锡 量 W% 出 现 经 过 位 置 所 在 颜 色 结 晶 性 能 表 面 能 -phase(Eta) Cu6Sn5 60% 高 温 融 锡 沾 焊 到 清 洁 铜 面 时 立 即 生 成

43、介 于 焊 锡 或 纯锡 与 铜 之 间 的 介 面 白 色 球 状 组 织 良 性 IMC 微 焊 接 强 度 之 必 须 甚 高 -phase(Epsilon) Cu3Sn 30% 焊 后 经 高 温 或 长 期 老 化 而 逐 渐 发 生 介 于 Cu6Sn5 与 铜 面 之 间 灰 色 柱 状 结 晶 恶 性 IMC 将 造 成 缩 锡 或 不 沾 锡 较 低 只 有 Eta 的 一 半 ,非 常 有 趣 的 是 ， 单 纯Cu6Sn5 的 良 性 IMC， 虽 然 分 子 是 完 全 相 同 ， 但 当 生 长 环 境 不 同 时 外 观 却 极 大的 差 异 。 如 将 清 洁 铜 面 热 浸 于 熔 融 态 的 纯 锡 中 ， 此 种 锡 量 与 热 量 均 极 度 充 足下 ， 所 生 成 的 Eta 良 性 IMC 之 表 面 呈 鹅 卵 石 状 。 但 若 改 成 锡 铅 合 金 (63/37)之锡 膏 与 热 风 再 铜 面 上 熔 焊 时 ， 亦 即 锡 量 与 热 量 不 太 充 足 之 环 境 ， 居 然 长 出 另一 种 一 短 棒 状 的 IMC 外 表 (注 意 铜 与 铅 是 不 会 产 生 IMC 的 ， 且 两 者 之 对 沾 锡