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1、白蓉生细说无铅回焊一、前言 所谓的Reflow，在表面贴装工业SMT中，是指锭形或棒形的焊锡合金，经过熔融并再制造成形为锡粉即圆球形的微小锡球，然后搭配有机辅料助焊剂调配成为锡膏；又经印刷、踩脚、贴片、与再次回熔并固化成为金属焊点之过程，谓之Reflow Soldering回流焊接。此词之中文译名颇多，如再流焊、回流焊、回焊日文译名熔焊、回焊等；笔者感觉这只是将松散的锡膏再次回熔，并凝集愈合而成为焊点，故早先笔者曾意译而称之为“熔焊。但为了与已流行的术语不至相差太远，及合计字面并无迂回或巡回之含意，但却有再次回到熔融状态而完成焊接的内涵，故应称之为回流焊或回焊。图1左图为位于观音工业区的协益电
2、子公司，其SMT现场安装之锡膏印刷机，为了避免钢板表面之锡膏吸水与风干的烦恼起见，全机台均保持盖牢密封的状态。右为开盖后所见钢板、刮刀及无铅锡膏刮印等外貌。 SMT无铅回焊的整体工程与有铅回焊差异不大，仍然是：钢板印刷锡膏、器件安排含片状被动组件之高速贴片，与异形零件大形组件之自动安放、热风回焊、清洁与品检测试等。不同者是无铅锡膏熔点上升、焊性变差、空洞立碑增多、容易爆板、湿敏封件更易受害等烦恼，必需改变观念重新面对。事实上依据多年量产经验可知，影响回焊质量最大的原因只有：锡膏本身、印刷参数以及回焊炉质量与回焊曲线选定等四大关键。掌握优良者八成问题应可消弭之于无形。二、锡膏的制造与质量2.1锡
3、膏组成与空洞锡膏是由重量比88-90的焊料合金所做成的微小圆球称为锡粉Powder，与10-12有机辅料图2锡稿回焊影响其锡性与焊点强度方面的因素很多，此处归纳为五大方向，依据多年现场经验可知，以锡膏与印刷及回焊曲线Profile等三项占焊接品质之比重高达七八成以上，以下本文将专注于此三大内容之介绍，至于机器操作部分将不再著墨。即通称之Flux助焊剂所组成；由于前者比重很大7.4-8.4而后者的比重很轻约在1-1.5，故其体积比约为1：1。SAC无铅焊料之比重较低约7.4，且因沾锡 较差而需较多的助焊剂，因而体积比更接近1：1。故知锡粉完成愈合形成焊点之回焊后，其浓缩后的体积将不够印膏的一半。
4、一旦外表先行冷却固化，深藏在内的有机物势必无法逃出，只好被裂解吹胀成为气体。此即锡膏回焊之各种焊点中，气洞或空洞Voiding无所不在的主要成因，其数量与大小均远超过波焊。图3无铅锡膏中之锡粉(Powder指微小球体)约占重量比88-90%，必需正圆正球形才干方便印刷中的滑动。由于硬度较软容易被压伤，故搅拌时要当心。左二图即为无铅锡粉之扩大图。右图为锡膏中大小锡粉搭配成型的印著画面。 现行无铅锡膏以日系SAC305为主欧系SAC3807，或美系SAC405等次之，日系尚另有SZB83，及SCN等。至于AIM公司的著名锡膏CASTINSn2.5Ag0.8Cu0.5Sb之四元合金在亚太地区则很少见
5、到。2.2锡粉制造与质量将原始焊锡合金在氮气环境中先行熔成液态，继以离心力容器将之甩出来成为小球状的锡粉；或采氮气强力喷雾法，在氮气高塔中冷却及下降而成为另一种锡粉。图4锡粉是从熔融液锡所成形而调制，左图为氮气塔中利用强力氮气喷成粉体之情形，右为液锡在离心力设备上甩出成粉的另一种制程。之后分别用筛子筛选出各种直径的小球，然后再按尺寸大小采重量比例去与助焊剂调配与混合，即成为回焊用的锡膏。关于锡粉的基本要求比起助焊剂来较为简单，其质量重点只要求外形一定要正圆球形，以符合印刷作业中向前滚动的条件。其次是直径尺寸应大小匹配互补，以减少印刷后贴件或踩脚时的坍塌Slump。第三项质量是外表所生成的氧化物
6、不可太厚，否则在助焊剂未能彻底清除下，熔融愈合中将会被主体排挤出去而成为不良的锡球。不过一旦外表完全无氧化物时，也较有机会发生“冷熔Cold Welding现象进而容易堵死钢板开口。通常要求开口之宽度以并迭5-7颗主要锡球为原则。助焊剂Flux之成份非常复杂，已成为影响锡膏乃至于回焊质量之最关键部份，且更成为品牌好坏的主要区别所在。其主要成份有树脂Resin、活化剂Activator、溶剂Solvent、增黏剂Tackifier即摇变剂、流变添加剂Rheological Additives亦称抗垂流剂Thixotropic Agent，或称摇变剂或触变剂或流变剂等、表面润湿剂Surfactan
7、t、腐蚀抑制剂等，现简要说明于后：树脂也就是整体助焊剂的基质，一向以水白式松香Rosin或称松脂为主，常温中80-90为固体形式的松脂酸Abietic Acid，高温中将熔融成为液体并展现活性 常温中不具活性，可用以去除焊料或待焊底材等某些表面稍微的氧化物。活化剂以二元式固体有机酸为主指含两个羧酸根COOH者，例如草酸、己二酸；其次是固态的卤化盐类例如二甲胺盐酸(CH3)2NHHCL等，在高温中亦可熔化成液态而得与各类氧化物进行反应，可将之去除并得以改善沾锡性。各种活化剂去锈去除氧化物的原理，其一可说明为有机酸或卤酸与各种金属氧化物在热能的协助下，进行多次化学反应，使之转变为可溶性金属卤化盐类
8、而得以移除：图7此图说明印妥之锡膏在预热中，会引发锡粉表面甚至铜垫的氧化，但到达峰温时，在助焊剂迅速发挥威力下可对各种氧化物进行化学反应并使之溶解，进而出现锡粉的熔融愈合。在此等反应进行的同时也将出现金属盐类与多量的气体，以致冷却后的焊点中免不了会出现空洞其二为氧化还原反应，以甲酸蚁酸将金属氧化物予以还原，并再经后续之热裂解反应，最具代表性：MO2HCOOHM(COOH)2H2OM(COOH)2MCOnH2溶剂以分子量较大的某些高级醇类，或醚类酮类等较常被采纳，可用以溶解某些固态的有机物；例如M-Pyrols即为著名的溶剂化学品。抗垂流剂此剂可在锡膏运动或摇动触动中，出现较易流 动现象；但在静
9、置时却又会保持抗剪力，而具有不轻易移动 特性的化学品。如此将可使锡膏在刮刀推行印刷时容易滚动，一旦印着定位后的锡膏，则又可强力协助其保持固定不动的状态。此类添加剂以篦麻油衍生物为主，可增加锡膏的黏度及黏着力Tack Force。 按照J-STD-005锡膏规范表2A与2B，见次页，依比例选出表列各种直径的锡粉，然后搭配助焊剂，于特别“双行星轨道之混搅机中进行轻柔搅拌Double Planetary Mixing中，在不伤及锡粉下可使均匀混合成为锡膏。此种“双行星搅拌方式，是利用两具双拌桨，从同一轴心对容器内的膏体进行慢速旋转搅拌。该四桨叶是以其厚度方向从膏体的外缘连续划过，逐渐逼使内外膏料产生
10、高效率的混合，只要划过3圈后，大部膏料均已完成彼此混合；旋转36圈后，任何一桨均已与全部成员完成接触，是一种很温柔但却高效的搅拌机。 锡膏在印刷刮刀之水平推行中不但要容易滚动，而且穿过钢板开口着落在PCB焊垫上还要黏牢，要求印后十小时以内，或于零件踩脚时，均不可发生坍塌的情形。故知其商品之难度颇高，质量亦非常讲究。 锡膏是一种高单价的物料以SAC305锡膏而言，每公斤即在N.T.2000元以上，一旦发现吸水则只有报废一途以减少后患。国际规范J-STD-005在其表2A与2B中，已将六种型式Type锡膏中的锡粉，按不同直径在重量百分比方面加以规定，以减少在印刷与踩脚时的坍塌，并在热风回焊中容易愈
11、合成为优良的焊点。以下者即为各型锡膏中锡粉组成之百分比，其中最常用者为Type3主要锡粉直径为35-38m，其次是用于密距窄垫的Type4锡粉直径以30m为主，其它Type在组装业界较少使用其它Type5 or 6系用于覆晶Flip Chip之封装。 事实上锡膏质量之待检项目甚多，不同规范亦有不同的要求，一般在作业质量与后续可靠度方面，平均即有15-20项之多。供货商也并非在每次出货时都要每项必做。至于使用者则只需就其生产作业的必要性，且在无需精密昂贵仪器的条件下，以简易的手法检测其关键项目即可。以下五种质量项目即按此种观点而选列，可供使用者现场参照。1愈合性凝集性或熔合性试验 Solder
12、Ball TestIPC-TM-650之，是在阳极处理过的铝板上，加印一个小圆饼形的锡膏直径厚度2mm，然后当心平置于小型锡池上，无铅锡池之温度设定为245-255。此时锡膏中的锡粉开始受热愈合成为一个圆顶型的焊饼，锡膏中已熔化的助焊剂则被不断挤出而向外扩张。放置5秒钟后即当心水平取下并放平，直到冷却后才以10-20倍扩大镜去做检查。此试验是在检查锡粉愈合的能力如何？其中假设已部份生锈而无法愈合之下，将随Flux向外扩散成为卫星状的小碎球。图9此为锡膏规范中测试愈合性Coalescence的允收与拒收画面，其金属载板为阳极处理过的铝板，只做为传热的工具。优良的锡膏熔合后其锡粉会集中成球，其中氧
13、化较严重锡粉，在无法熔合下，将被排挤出来随著助焊剂的扩散而向外流失，左二图即为流失者太多而遭到拒收的画面。本试验选用Al2O3皮膜的铝板，是刻意将其当成传热载体而不使产生沾锡反应即出现IMC，纯粹只在了解锡粉本身愈合能力的好坏而已。也可在完成锡膏印刷并于室温中放置24小时后，再进行愈合试验，以观察其抗湿及抗氧化的能力如何。前页之四图即为J-STD-005在3.7节中所列之有铅锡膏允收规格之图标画面。 至于无铅锡膏愈合能力的允收情形则目前尚无规格，估计J-STD-005A于2006下半年内公布后即可有所依循。以下之五图即为无铅膏在氧化铝板与铜板上另于回焊中所做愈合试验的比较。图10上图为锡膏在铝
14、板上受热而愈合的画面，下三图锡膏在基材板铜面上的熔合情形。由于锡与铜之间会出现焊接反应并生成Cn6Sn5 的IMC,故其愈合后的外观与铝铜板上不同。2散锡性试验 Spreading Test 焊锡性Solderability是说明金属表面可否进行焊接反应，并就其反应能力的好坏，以科学数据加以表达的质量。从沾锡天平Wetting Balance而言，即可用以测出引脚的沾锡时间愈短愈好与沾锡力量愈大愈好。然而此种精密试验，不但专业设备昂贵且相当耗时，而所得数据对生产现场的有用价值却不大。一般的焊锡性在波焊而言，讲究是通孔的上锡填锡能力；就SMT回焊而言，则专注于锡膏愈合后向外的散锡 性，以下将介绍
15、简易做法的散锡性试验。图11此为无铅与有铅两种锡膏，在窄铜面上散锡性的比较。相同条件下无铅锡膏的焊锡性就相形见拙了。有铅焊料63/37之表面张力Surface Tension为0.506 N/m；但SAC305之表面张力却增为0.567N/m，比起前者要超出20%之多。表面张力加大即表内聚力Cohesive Force增加，而向外扩大的附着力Adhesive Force却减小。于是无铅锡膏在散锡性方面当然就比起有铅锡膏差了一截，假设能在助焊剂的活化性能方面有所提升时，或许无铅膏还可展现较好的焊锡性。日商对此做法是利用厚的双面板，做出32mil800m宽的多条并行线路，之后加全面印绿漆而留出线路中间2cm长的裸铜区或另加做不同的表面处理以方便评比。于是在此可焊区的中央印刷上直径950m厚度150m6mil的无铅锡膏，然后利用生产线的回焊曲线进行试焊，并观其向两侧散锡的能力。只需简单的量测已散锡的长短，即可知晓其可焊皮膜或锡膏品牌，在“散锡(Spreadability)方面的质量好坏了。图12此为日本工业规范对锡膏在散锡
