SMT無鉛回焊的整體工程與有鉛回焊差異不大，仍然是：鋼板印刷錫膏、器件安置〈含片狀被動元件之高速貼片，與異形零件大形元件之自動安放）、熱風(fēng)回焊、清潔與品檢測試等。不同者是無鉛錫膏熔點上升、焊性變差、空洞立碑增多、容易爆板、濕敏封件更易受害等煩惱，必須改變觀念重新面對。事實上根據(jù)多年量產(chǎn)經(jīng)驗可知，影響回焊品質(zhì)最大的原因只有：錫膏本身、印刷參數(shù)以及回焊爐品質(zhì)與回焊曲線選定等四大關(guān)鍵。掌握良好者八成問題應(yīng)可消弭之于無形。

圖1、左圖為位于觀音工業(yè)區(qū)的協(xié)益電子公司，其SMT現(xiàn)場安裝之錫膏印刷機，

為了避免鋼板表面之錫膏吸水與風(fēng)乾的煩惱起見，全機臺均保持蓋牢密封的狀態(tài)。

右為開蓋后所見鋼板、刮刀及無鉛錫膏刮印等外貌。

圖2、電路板制作過程中錫膏回焊影響其錫性與銲點強度方面的因素很多，此處歸納為五大方向，

根據(jù)多年現(xiàn)場經(jīng)驗可知，以錫膏與印刷及回焊曲線（Rrofile)等三項占焊接品質(zhì)之比重高達七八成以上，

以下本文將專注于此三大內(nèi)容之介紹，至于機器操作部份將不再著墨。

一、錫膏組成與空洞

錫膏是由重量比8 8—9 0％的銲料．AIZl金所做成的微小圓球(稱為錫粉Powder)，與10—12％有機輔料(即通稱之FluX助焊劑)所組成；由于前者比重很大(7．4—8．4)而后者的比重很輕(約在1—1.5)，故其體積比約為1：1。SAC無鉛焊料之比重較低(約7.4)，且因沾錫性較差而需較多的助焊劑，因而體積比更接近1：1。故知錫粉完成癒合形成銲點之回焊后，其濃縮后的體積將不足印膏的一半。一旦外表先行冷卻固化，深藏在內(nèi)的有機物勢必?zé)o法逃出，只好被裂解吹脹成為氣體。此即錫膏回焊之各種銲點中，氣洞或空洞(Voiding)無所不在的主要成因，其數(shù)量與大小均遠超過波焊。

圖3、無鉛錫膏中之錫粉〈Powder指微小球體）約占重量比88-90%，必須正圓正球形才能方便印刷中的滑動。

由于硬度較軟容易被壓傷，故攪拌時要小心。左二圖即為無鉛錫粉之放大圖。

右圖為錫膏中大小錫粉搭配成型的印著畫面。

現(xiàn)行無鉛錫膏以曰系SAC305為主(歐系SAC3807，或美系SAC405等次之)，日系尚另有SZB83，及SCN等。至于AIM公司的著名錫膏CASTIN(Sn2.5Ag0.8Cu0.5Sb)之四元合金在亞太地區(qū)則很少見到。

圖4、錫粉是從熔融液錫所成形而調(diào)製，左圖為氮氣塔中利用強力氮氣噴霧所噴成粉體之情形，

右為液錫在離心力設(shè)備上甩出成粉的另一種製程。

二、錫粉製造與品質(zhì)

將原始銲錫合金在氮氣環(huán)境中先行熔成液態(tài)，繼以離心力容器將之甩出來成為小球狀的錫粉；或採氮氣強力噴霧法，在氮氣高塔中冷卻及下降而成為另一種錫粉。之后分別用篩子篩選出各種直徑的小球， 與助焊劑調(diào)配與混合，即成為回焊用的錫膏。

圖5、左上圖為有鉛錫粉在801中的圖像，其表面花紋的白色部份是鉛（因原子量較大，故會反射電子而成），

黑色部份為錫（恰與光學(xué)顯微鏡之黑白相反）；左下圖為無鉛錫粉兩者之對比。上圖為錫膏配制的示意圖。

對于錫粉的基本要求比起助焊劑來較為簡單，其品質(zhì)重點只要求外形一定要正圓球形，以符合印刷作業(yè)中向前滾動的條件。其次是直徑尺寸應(yīng)大小匹配互補，以減少印刷后貼件或踩腳時的坍塌(Slump)。第三項品質(zhì)是外表所生成的氧化物不可太厚，否則在助焊劑未能徹底清除下，熔融癒合中將會被主體排擠出去而成為不良的錫球。不過 一旦外表完全無氧化物時’也較有機會發(fā)生“冷熔”(Cold welding)現(xiàn)象進而容易堵死鋼板開口。通常要求開口之寬度以併疊5—7顆主要錫球為原則。

 圖6、為了防止錫粉重迭會堵死鋼板之開口起見，其開口的起碼寬度必須要大過5-7顆平均直徑的錫粉才行。

三、助焊劑之咸份及品質(zhì)

助焊劑(F1uX)之成份非常複雜，已成為影響錫膏乃至于電路板回焊品質(zhì)之最關(guān)鍵部份，且更成為品牌好壞的主要區(qū)別所在。其主要成份有樹脂(Resin)、活化劑(Activator)、溶劑(Solvent)、增黏劑(Tackifier即黏著劑)、流變添加劑(RheologiCa1 AdditiveS)亦稱抗垂流劑(Thixotropic Agent，或稱搖變劑或觸變劑或流變劑等)、表面潤濕劑(SurfaCtant)、腐蝕抑制劑等’現(xiàn)簡要說明于后：

樹脂一一也就是整體助焊劑的基質(zhì)，一向以水白式松香(Rosin或稱松脂)為主，常溫中80--90％為固體形式的松脂酸(Abietic Acid)，高溫中將熔融成為液體并展現(xiàn)活性(常溫中不具活性)，可用以去除銲料或待焊底材等某些表面輕微的氧化物?；罨瘎┮灰灰远焦腆w有機酸為主（指含兩個羧酸根COOH者），例如草酸、己二酸；其次是固態(tài)的鹵化鹽類〔例如二甲胺鹽酸)等，在高溫中亦可熔化成液態(tài)而得與各類氧化物進行反應(yīng)，可將之去除并得以改善沾錫性。

各種活化劑去鏽(去除氧化物)的原理，其一可說明為有機酸或鹵酸與各種金屬氧化物在熱能的協(xié)助下，進行多次化學(xué)反應(yīng)，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄越饘冫u化鹽類而得以移除：

MOn+2nRCOOH→M(RCOO)n+nH2O

MOn+2nHX→MXn+nH2O

圖7、此圖說明印妥之錫膏在預(yù)熱中，會引發(fā)錫粉表面甚至銅墊的氧化，但到達峰溫時

，在助焊劑迅速發(fā)揮威力下可對各種氧化物進行化學(xué)反應(yīng)并使之溶解，進而出現(xiàn)錫粉的熔融癒合。

在此等反應(yīng)進行的同時也將出現(xiàn)金屬鹽類與多量的氣體，以致冷卻后的銲點中免不了會出現(xiàn)空洞。

其二為氧化還原反應(yīng)’以甲酸(蟻酸)將金屬氧化物予以還原，并再經(jīng)后續(xù)之熱裂解反應(yīng)，最具代表性：

MO+2HCOOH→M(COOH)2+ H2O

M(COOH)2→M+CO2+H2

溶劑一一以分子量較大的某些高級醇類，或醚類酮類等較常被採用，可用以溶解某些固態(tài)的有機物；例如M—Pyrols即為著名的溶劑化學(xué)品?？勾沽鲃┮灰淮藙┛稍阱a膏運動或搖動(觸動)中，出現(xiàn)較易流動之現(xiàn)象；但在靜置時卻又會堅持抗剪力，而具有不輕易移動特性的化學(xué)品。如此將可使錫膏在刮刀推行印刷時容易滾動，一旦印著定位后的錫膏，則又可強力協(xié)助其保持固定不動的狀態(tài)。此類添加劑以篦麻油衍生物為主’可增加錫膏的黏度及黏著力(Tack Force)。

四、錫膏等級與配製

按照J一STD—005錫膏規(guī)范(表2 A與2 B，見次頁)，依比例選出表列各種直徑的錫粉，然后搭配助焊劑，于特殊“雙行星軌道”之混攪機中進行輕柔攪拌(Doub1e P1anetary Mixin g)中，在不傷及錫粉下可使均勻混合成為錫膏。此種“雙行星”攪拌方式，是利用兩具雙拌槳，從同一軸心對容器內(nèi)的膏體進行慢速旋轉(zhuǎn)攪拌。該四槳葉是以其厚度方向從膏體的外緣連續(xù)劃過，逐漸逼使內(nèi)外膏料產(chǎn)生高效率的混合，只要劃過3圈后，大部膏料均已完成彼此混合；旋轉(zhuǎn)3 6圈后，任何一槳均已與全部成員完成接觸’是一種很溫柔但卻高效的攪拌機。

圖8、此為專門用于配制錫膏時的雙行星攪拌機。

錫膏在印刷刮刀之水平推行中不但要容易滾動，而且穿過鋼板開口著落在PCB銲墊上還要黏牢，要求印后十小時以內(nèi)，或于零件定深跺腳時，均不可發(fā)生坍塌的情形。故知其商品之難度頗高’品質(zhì)亦非常講究。

錫膏是一種高單價的物料(以SAC305錫膏而言，每公斤即在N．T．2000元以上)，一旦發(fā)現(xiàn)吸水則只有報廢一途以減少后患。國際規(guī)范J—STD—005在其表2A與2B中，已將六種型式(Type)錫膏中的錫粉，按不同直徑在重量百分比方面加以規(guī)定，以減少在印刷與踩腳時的坍塌，并在熱風(fēng)回焊中容易癒合成為良好的銲點。下列者即為各型錫膏中錫粉組成之百分比，其中最常用者為Type3〈主要錫粉直徑為35-38μm)，其次是用于密距窄墊的Type4   (錫粉直徑以30μm為主），其他Type在組裝業(yè)界較少使用（其他Type5 or 6系用于覆晶Flip Chip之封裝）。

五、錫骨現(xiàn)場作業(yè)性品質(zhì)

事實上錫膏品質(zhì)之待檢項目甚多，不同規(guī)范亦有不同的要求，一般在作業(yè)品質(zhì)與后續(xù)可靠度方面，平均即有15-20項之多。供應(yīng)商也并非在每次出貨時都要每項必做。至于使用者則只需就其生產(chǎn)作業(yè)的必要性，且在無需精密昂貴儀器的條件下，以簡易的手法檢測其關(guān)鍵項目即可。以下五種品質(zhì)項目即按此種觀點而選列，可供使用者現(xiàn)場參考。

（一）、癒合性（凝聚性或熔合性）試驗

Solder Ball Test，是在陽極處理過的鋁板上，加印一個小圓餅形的錫膏（直徑6.51mm厚度2mm)，然后小心平置于小型錫池上，無鉛錫池之溫度設(shè)定為245-255℃。此時錫膏中的錫粉開始受熱癒合成為一個圓頂型的銲餅，錫膏中已熔化的助焊劑則被不斷擠出而向外擴張。放置5秒鐘后即小心水平取下并放平，直到冷卻后才以10-20倍放大鏡去做檢查。此試驗是在檢查錫粉癒合的能力如何?其中若已部份生鏽而無法癒合之下，將隨FluX向外擴散成為衛(wèi)星狀的小碎球。

圖9、此為錫膏規(guī)范中測試癒合性(Coalescence)的允收與拒收畫面，其金屬載板為陽極處理過的鋁板，

只做為傳熱的工具。良好的錫膏熔合后其錫粉會集中成球，其中氧化較嚴重的錫粉，

在無法熔合下，將被排擠出來隨著助焊劑的擴散而向外流失，下二圖即為流失者太多而遭到拒收的畫面

本試驗選用A l2O3皮膜的鋁板，是刻意將其當成傳熱載體而不使產(chǎn)生沾錫反應(yīng)(即出現(xiàn)IMC)，純粹只在瞭解錫粉本身癒合能力的好壞而已。也可在完成錫膏印刷并于室溫中放置24小時后，再進行癒合試驗，以觀察其抗?jié)窦翱寡趸哪芰θ绾蜲前頁之四圖即為J—STD—005在所列之有鉛錫膏允收規(guī)格之圖示畫面。

至于無鉛錫膏癒合能力的允收情形則目前尚無規(guī)格，預(yù)計J—STD一005A于2006下半年內(nèi)發(fā)佈后即可有所依循。下列之五圖即為無鉛膏在氧化鋁板與銅板上另于回焊中所做癒合試驗的比較。

圖10、上二圖為錫膏在鋁板上受熱而癒合的畫面，下三圖為錫膏在基材板銅面上的熔合情形。

由于錫與銅之間會出現(xiàn)焊接反應(yīng)并生成Cu6Sn5的IMC。故其癒合后的外觀與鋁板上不同。

(二)、散錫性試驗Spreading Test

焊錫性(So1derability)是說明金屬表面可否進行焊接反應(yīng)，并就其反應(yīng)能力的好壞，以科學(xué)數(shù)據(jù)加以表達的品質(zhì)。從沾錫天平(Wetting Balance)而言，即可用以測出引腳的沾錫時間此種精密試驗，不但專業(yè)設(shè)備昂貴且相當耗時，而所得數(shù)據(jù)對生產(chǎn)現(xiàn)場的實用價值卻不大。一般的焊錫性在波焊而言’講究是通孔的上錫填錫能力；就SMT回焊而言，則專注于錫膏癒合后向外的散錫性，以下將介紹簡易做法的散錫性試驗。

圖11、此為無鉛與有鉛兩種錫膏，在窄銅面上散錫性的比較，相同條件下無鉛錫膏的焊錫性就相形見拙了。

有鉛銲料(63/37)之表面張力(Surface Tension)為0.506N／m；但SAC305之表面張力卻增為0.5 6 7 N／m，比起前者要超出2 0％之多。表面張力加大即表內(nèi)聚力(Cohesive Force)增加，而向外擴展的附著力(Adhesive Force)卻減小。于是無鉛錫膏在散錫性方面當然就此起有鉛錫膏差了一截，若能在助焊劑的活化性能方面有所提昇時，也許無鉛膏還可展現(xiàn)較好的焊錫性。

日商對此做法是利用1.6 mm厚的雙面板，做出32mil(800μm)寬的多條平行線路，之后加全面印綠漆而留出線路中間2cm長的裸銅區(qū)(或另加做不同的表面處理以方便評比)。于是在此可焊區(qū)的中央印刷上直徑950μm厚度150μm (6mil)的無鉛錫膏，然后利用生產(chǎn)線的回焊曲線進行試焊，并觀其向兩側(cè)散錫的能力。只需簡單的量測已散錫的長短，即可知曉其可焊皮膜或錫膏品牌，在“散錫性”(Spreadability)方面的品質(zhì)好壞了。

圖12、此為日本工業(yè)規(guī)范對錫膏在散錫性方面的試驗方法，

可針對錫膏品牌或可焊性表面處理進行散錫性的評比，孰優(yōu)孰劣立見分曉。

(三)、黏度試驗Viscosity Test與黏度指數(shù)(Thixotropy)

每批進料錫膏之保證書中，雖已明列其黏度數(shù)據(jù)，但為確保其出貨中的品質(zhì)起見，亦應(yīng)在入庫前按J一STD一005之與IPC—TM一650之抽檢其黏度值。其做法是將已回溫(5—6小時)的錫膏，開蓋后先用攪拌刀從其刀口方向輕攪1—2分鐘，再整罐置于專業(yè)黏度儀(例如Malcom之PCU201型)之測座上，并將慼測頭(Sensor)伸入膏體中，續(xù)以10rpm的慢轉(zhuǎn)速度，在25℃下取20分鐘后的量測數(shù)據(jù)做為紀錄即可。

圖13、左為業(yè)界所廣用Ma1com牌之錫膏黏度計PCL一201，右為其試驗乎臺之特寫。

至于黏著指數(shù)(或稱抗垂流指數(shù)Thixotropy)之品質(zhì)項目，事實上美式錫膏規(guī)范J一STD一005并未列入，至于其新A版中是否已納入則目前尚不得知O日本工業(yè)標淮兒S—Z一3284則已採行多年，其做法是先求出上述10 rpm在20分鐘后的黏度值后，再分別另行測出3rpm的6分鐘數(shù)據(jù)，及30rpm的3分鐘數(shù)據(jù)。然后將此兩種數(shù)據(jù)分別求取對數(shù)值(Log)，此等讀值應(yīng)落在0.4 5—0.65之間。所謂的Thixotropy也就是控制Slump的能力如何的指標，可令讀者較易體會其與抗坍塌性或抗垂流性之間的關(guān)系。也就是說印刷后較長時間的置放中(例如1 0小時)，觀察是否出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象的品質(zhì)。

圖14、此為瞭解黏著指數(shù)所刻意印刷之錫膏，可做為現(xiàn)場對比之用。

希望其數(shù)據(jù)能落在0.4與0.65之間，即最為理想最適合生產(chǎn)用途。

(四)、黏著力  (Tack Force)

按IPC—TM一650，在室溫環(huán)境(2 5℃，5 0％RH)中，于玻板面印著四個均等圓盤形的錫膏(直徑6.5 mm厚度0.2 mm)，再利用精密拉力計所加裝之平頭不鏽鋼探棒(直徑5.1mm)，對淮所印之錫膏以2.0mm／s的降速壓進錫膏中’并施以重力50 g進行0.2秒的壓著，然后另以10 mm／s的升起速度將探棒緩緩拉起。此時可按下圖紀錄其向上拉脫時的最大力量，如此共做5次再求取其平均值，即為其紀錄用的黏著強度或黏著力之數(shù)據(jù)(KN／m2)。 山東芯演欣電子科技發(fā)展有限公司   聯(lián)系電話：18865375835

圖15 、右圖為黏著力試驗所印刷的四個錫膏位置，上圖為壓著探頭下壓及拔起的示意圖，

及其所對應(yīng)出力大小的座標曲線圖。

（五）、印刷能力(Printability)

是指對密距(Fine Pitch)多墊區(qū)(例如QFP之連墊)，或直徑很小的圓墊等連續(xù)印刷多次，希望仍不致造成黏度值或抗垂流性的改變，甚至放置10小時仍未發(fā)生坍塌的情形。此種特性對于連續(xù)施工頗為重要，對現(xiàn)場而言此檢驗方法也并不困難，美式規(guī)范中亦未列入此項，日系規(guī)范可參考118-2-3284附件5 。下二圖即為首印樣與第30次印樣的比較。

圖16、左為疏距與密距所并列之錫膏印樣；上圖則為開封之錫膏先印一樣，然后到達鍚膏第30次印刷時，另印另一樣。

之后進行比對并觀察后者是否在密距處發(fā)生異常坍塌情形。上二圖即為其前后兩印樣的對比圖