制 程 工 程 师 专 业 知 识 基 础 教 学 --- 锡 膏 的 介 绍

何谓锡膏? 锡膏是SMT中最为关键的材料. b.由合金锡球solder powder及助焊剂Flux按照比例均匀混合而成. c.它透过钢板上经计算切开的网孔,在锡膏印刷机中印在PCB的焊垫上. d.它的胶状特性能让SMD附着. e.经过回焊炉的加温熔解, 让SMD的电极及PCB的焊垫焊在一起, 构成回路, 导通电流.

锡膏的主要成分介绍 每一家廠商的錫膏都有差異, 最主要的不同在於: 1.合金比例. 2. Flux的成分差異. 合金锡球 Solder powder 锡膏 Solder Paste 助焊剂 Flux.

合金锡球主要成分 合金锡球主要成分为: a.锡(Sb) b.银(Ag) c.铜(Cu) d.锑(Sb) e.铋(Bi) f.锌(Zn) g.铅(Pb) h.铁(Fe) i.铝(Al) j.砷(As) k.镉(Cd) 其中铅(Pb) 镉(Cd)为Rohs的管制原料 铅(Pb)含量需小于1000ppm 镉(Cd) )含量需小于100ppm

不同合金及比例组合及所需熔融的大约温度: No Alloy Liquidus Temperature Remark 1 Sn63 - Pb37 183 Lead 2 Sn62 - Pb36 - Ag2 179 3 Sn96.5 - Ag 3.5 221 Lead-Free 4 Sn96.5 - Ag 3 - Cu0.5 217 5 Sn89 - Zn8 - Bi3 194

Solder Power Size Classification 合金錫球粒徑大小的分類 : 單位: μm Solder Power Type Solder Power Size Classification Remark Type 2 25 ~ 63 Type 3 25 ~ 45 PAL Type 4 25 ~ 38 Mostly Type 5 15 ~ 32 Type 6 5 ~ 15

注意事項: 當錫膏中的合金錫球愈小時，其形成銲點後向外逸出不良錫球之機會也就愈大。因為“表面積／体積”的比值愈大時，也需要較多的助焊劑以減少其氧化，因而一些較小粒子者（15μm以下）就很容易在熔焊時從主體中被“沖擠”出來。 故各型錫膏配置時必須訂定其選用粒徑大小（Particle size），與其重量百分比的分配（Size Distribution）兩種參數，以適應印刷時開口的大小及減少不良錫球的產生。

合金锡球的外觀 不正常 不正常 正常 當合金錫球之粒徑及外形相差過於懸殊時，對鋼板印刷甚至注射法 (點錫膏) 的施工都很不利，常會造成出口的堵塞。不過經驗中也曾學習到錫粉中還須備有著某種“不均勻外形”者之比率存在，如此方可減少熔焊前預熱中錫膏的坍塌（Slump）.

按标准粒度重量百分比所组成之六种细粒锡膏 : J-STD-005 單位: μm Type 粒度直径上限 大粒度直径 (须在1﹪以下) 正确粒度直径 (须在80﹪以上) 小粒度直径 (须在10﹪以下) 1 160 150 150~75 20 2 80 75 75~45 3 50 45 45~25 Type 粒度直径上限 大粒度直径 (须在1﹪以下) 正确粒度直径 (须在80﹪以上) 小粒度直径 (须在10﹪以下) 4 40 38 38~20 20 5 30 25 25~15 10 6 15 15~5

Flux主要成分 载剂 Carrier Materials 溶剂 Solvent 助焊剂 Flux 活化剂 Activator 其它添加物 Theological Additive

Flux各成分的功能 No. Item Description a 载剂 Carrier Material 为助焊剂组成成分之主体, 协助活化剂的分布及传热. b 溶剂 Solvent 有效混合各种添加物并调整锡膏粘稠度 c 活化剂 Activator -清洁(腐蚀) 锡球及PCB焊垫表面的氧化物,让焊接更加紧密 d 其它添加物 Theological Additives 锡膏粘稠度的调整改善过回焊炉时锡膏熔融塌陷问题.

Flux的種類 No Type Content a R Rosin, (Isopropyl Alcohol) b RMA Rosin, Mildly Activated c RA Rosin, Activated d OA Organic Acid e SA Synthetic, Activated Solder paste, solder wire use RMA type.

Solder Paste 熔融過程 a. b. c. e. d.

錫膏液化後的銲錫性等級 : Classification Wetting Angle Prefect wetting 0≤ θ< 10 Excellent wetting 10≤ θ< 20 Very good wetting 20≤ θ< 30 Good wetting 30≤ θ< 40 Adequate wetting 40 ≤ θ< 55 Poor wetting 55 ≤ θ< 70 Very poor wetting 70 ≤ θ< 90 None wetting 90 ≤ θ

共熔合金的平衡相圖（Phase Diagram): Sn-Ag-Cu IMC (Intermetallic Compounds)介面合金共化物 – Cu6Sn5 & Ag3Sn

注意事項: 焊接動作之所以能夠焊牢，最根本的原因就是銲錫與底金屬銅面之間，已產生了IMC之良性介面合金共化物Cu6Sn5，此種如同樹根或家庭中子女般之介面層，正是相互結合力之所在。 但IMC有時也會在銲錫主體中發現，且呈現粒狀或針狀等不同外形。其液態時成長之初的厚度約為0.5-1.0μm之間，一旦冷卻固化IMC後還會緩緩繼續長厚，而且環境溫度升高時還將會長的更快，最好不要超2μm。一段時間之後，在原先Cu6Sn5 之良性IMC與底銅之間還會另外生出一層惡性的Cu3Sn. 此惡性者與原先良性者本質上完全不同，一旦Cu3Sn出現後其銲點強度即將漸趨劣化，脆性逐漸增加，IMC本身鬆弛，甚至整體銲點逐漸出現脫裂浮離等生命終期的到來。 一般IMC的性質與所組成的金屬完全不同，常呈現脆性高、導電差，且很容易鈍化或氧化等進一步毀壞之境界。並具有強烈惰性頑性，一般助焊劑均無法加以清除。

SAC-IMC層的種類 : Ag3Sn Cu Cu6Sn5

SAC-IMC層的厚度 : IMC太厚: 合金熔解時間過長. 正常IMC: 合金熔解時間請參照錫膏供應商的sample profile.

IMC生長進程 : 此為錫鉛合金的Solder Join IMC衰敗過程.

IMC生長率:

注意事項: 除了“焊錫性”好壞會造成生產線的困擾外，“銲點強度” 更是產品後續生命的重點。但若按材料力學的觀點，只針對完工焊料的抗拉強度與抗剪強度討論時，則並不務實。反而是高低溫不斷變換的長期熱循環（又稱為熱衝擊Thermal Shock）過程中，其等銲點由於與被焊物之熱脹係數不同，而出現塑性變形，再進一步產生潛變甚至累積成疲勞才是重點所在。因此等隱憂遲早會造成銲點破裂不可收拾的場面，對焊點之可靠度危害極大。 元件的金屬引腳與元件本體，及與板面焊墊之間的熱脹係數並不相同，因而在熱循環中一定會產生熱應力進而也如響應的出現應變，多次熱應力之後將再因一再應變而“疲勞”，終將使得焊點或封裝體發生破裂，此種危機對無腳的SMD元件影響更大。 “細晶”的結構者，其強度與抗疲勞性才會更好。 一旦引腳、銲點合金、與銲墊 (即板材)三種焊接單元之熱脹係數無法吻合匹配時，則經過高低溫多次變化中，其銲點會因漲縮之疲勞而逐漸發生故障，會因潛變而導致銲點的破裂 ，銲點故障的主因就是溫度變化所造成的“疲勞”故障。許多完工的組裝板，即使放在貨架上而並未實際使用，經歷一段時間的日夜溫度變化下，就會發現一些通電不良的焊點故障情形。凡三種參與焊接之單元間其熱脹係數落差愈大者，則銲點愈容易發生故障。