SMT表面贴装技术

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1、SMT什么是 SMTSMT就是表面组装技术（表面贴装技术）（Surface Mou nted Tech nolo gy的缩写），是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。SMT 有何特点 组装密度高、电子产品体积小、重量轻，贴片元件的体积和重量只有传统 插装元件的 1/10 左右，一般采用 SMT 之后，电子产品体积缩小 40%60% 重量减轻 60%80% 。可靠性高、抗振能力强。焊点缺陷率低。 高频特性好。减少了电磁和射频干扰。易于实现自动化，提高 生产效率。降低成本达30%50%。节省材料、 能源、设备、人力、时间等。编辑本段为什么要用SMT电子产品追求小型化，以前使用的穿孔插件元件已

2、无法缩小电子产品功能更完整，所采用的 集成电路（IC）已无穿孔元件，特别是大规 模、高集成IC,不得不米用表面贴片兀件产品批量化，生产自动化，厂方要以低成本高产量，出产优质产品以迎合 顾客需求及加强市场竞争力电子元件的发展，集成电路（IC）的开发，半导体材料的多元应用 电子科技革命势在必行，追逐国际潮流编辑本段SMT基本工艺构成要素印刷（或点胶）-贴装-（固化）-回流焊接-清洗-检测- 返修印刷：其作用是将焊膏或贴片胶漏印到 PCB 的焊盘上，为元器件的焊接 做准备。所用设备为印刷机（锡膏印刷机），位于 SMT 生产线的最前端。点胶：因现在所用的电路板大多是双面贴片，为防止二次回炉时投入面的

3、元件因锡膏再次熔化而脱落，故在投入面加装点胶机，它是将胶水滴到PCB的固定位置上，其主要作用是将元器件固定到 PCB板上。所用设备为点胶机， 位于 SMT 生产线的最前端或检测设备的后面。有时由于客户要求产出面也需 要点胶， 而现在很多小工厂都不用点胶机， 若投入面元件较大时用人工点胶。贴装：其作用是将表面组装元器件准确安装到 PCB 的固定位置上。所用 设备为贴片机，位于 SMT 生产线中印刷机的后面。固化：其作用是将贴片胶融化，从而使表面组装元器件与 PCB 板牢固粘 接在一起。所用设备为固化炉，位于 SMT 生产线中贴片机的后面。回流焊接：其作用是将焊膏融化，使表面组装元器件与 PCB

4、板牢固粘接 在一起。所用设备为回流焊炉，位于 SMT 生产线中贴片机的后面。清洗：其作用是将组装好的 PCB 板上面的对人体有害的焊接残留物如助 焊剂等除去。所用设备为清洗机，位置可以不固定，可以在线，也可不在线。检测：其作用是对组装好的 PCB 板进行焊接质量和装配质量的检测。所 用设备有放大镜、显微镜、在线测试仪（ICT）、飞针测试仪、自动光学检测 （AOI）、 X-RAY 检测系统、功能测试仪等。位置根据检测的需要，可以配置 在生产线合适的地方。返修：其作用是对检测出现故障的 PCB 板进行返工。所用工具为烙铁、 返修工作站等。配置在生产线中任意位置。SMT 之 IMCIMC 系 Int

5、ermetallic 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 C u6Sn5（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一、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 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

6、 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。二、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

7、锡)时才会发生，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 (Du ctillity) 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

8、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：6 = k 7t,k=k exp( Q/RT)6 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 。Q 表示 IMC 生长的活化能。K=IMC 对时间的生长常数，以nm / 7秒或pm / 7

9、日(1pm / 7日=3.4nm / 7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 / 7s)金属介面 20C 100 C 135 C 150 C 170 C1. 锡 / 金 402. 锡 / 银 0.08 17-353. 锡 / 镍 0.08 1 54. 锡 / 铜 0.26 1.4 3.8 10注在170 C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，

10、光泽镀纯锡为 3.7，其中以最后之光泽镀锡 情况较好。三、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负值时， 将出现缩锡 (Dewetting) ，负值愈大则焊锡愈

11、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 C)并在助焊剂的协助下，其表面能只得3 80 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。四、锡铜介面

12、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n-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240C的0.5pm到340C的0.9pm。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

13、清洁的铜面上将立即有 n-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 Cu 6Sn5,而同时铜份也会逐渐渗向原有的 n-phase层次中而去组成新的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 底 层，而终致到达不沾

14、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n-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 n-phase的一半。因而Cu3S n 是一种对焊锡性颇有妨碍的 IMC。然而早先出现的良性 n-phase Cu6

15、Sn5， 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 n-phase(Cu6Sn5) 却是一种球状组织 (Globular) 。下图 8 此为一铜箔上的焊锡 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，可使用专门的微蚀液 (NaOH50/gl，力口 1, 2-Nitrphenol 35ml/l, 70 C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