SMT-焊锡材料.doc

第三步驟：焊錫材料 基於不同應用上的需要，焊錫材料可以四個方向來加以探討：合金成份，應用的焊墊形狀，化學性，清潔性及物理形態。 焊錫因其液化溫度低於400℃（750℉）所以一般上被認為是可熔的合金。一般的合金成份包括：錫/鉛，錫/銀，錫/銻，錫/鉍，錫/銦，錫/鉛/銀，錫/鉛/銻，錫/鉛/鉍，錫/鉛/銦，鉛/銦，鉛/銀，鉛/銻。對晶片層級（特別是指覆晶Flip Chip）而言，基本上都是使用高溫、高鉛的合金成份，如5錫/95鉛或10錫90鉛。當然啦，低溫或接近低溫的合金如60錫/40鉛，62錫/36鉛/2銀和63錫/37鉛也可以直接使用在晶片上。至於在BGA基板下方的錫球則可以是高溫、高鉛或是低溫，接近低溫的錫鉛或錫鉛銀材料。就母板層級的元件組裝而言則限制以低溫的錫鉛或錫鉛銀合金，這是因為母板的主要材料為不耐高溫的FR-4。在某些特殊情況下低溫的錫鉛合金中會再加入一些鉍或銦等元素。 物理特性 焊錫可以被製成許多不同的外觀，棒狀、錠狀、線狀、粉狀、特殊型狀（指定外型、尺寸），球型或膏狀。除了這些外形及組成成份上的不同，焊錫材料的功能還被其應用的焊墊外形所限制。焊錫所附帶的助焊劑可分為三種，RMA（松香、溫和反應）以溶劑清洗，水溶性以水清洗或免洗。五種重要的物理特性如下： “金屬上相的轉變溫度”與實際應用上有關。液化溫度是和溶化溫度及固體軟化溫度相同。在一固定合金成份下液體到固體之間的溫度在可被稱為塑性或膏狀範圍。錫膏合金成份組成的選擇必須能和使用上的最糟狀況相符合，因此合金的液化溫度必須至少高於使用最高溫度的兩倍以上。當使用溫度接近液化溫度時焊錫會變得（在機械或金屬上所稱的）脆弱。 “電性傳導”是指焊錫接點在傳遞訊號上的表現。焊錫可以被看成一組帶正電的離子被浸放在一帶負電的電子雲中，而金屬晶體則因靜電彼此相吸引著。就理論上而言，電的導通是由帶負電的電子或正電的離子在電場下由一位置移動到另一位置。就金屬而言是以電子來進行電的傳導，而離子傳導則常見於氧化物或非金屬物質。對焊錫而言，導電性主要由電子流動來進行，電阻則隨溫度上升而上升。這是因為隨溫度上升電子移動方向變亂減少了同一方向上電流的傳遞。焊錫的電阻亦為塑性形變程度所影響（增加）。 “熱傳導”就金屬而言，通常和導電生相關，因為電子不僅負責電的傳導也負責熱傳導。也就是說當溫度上升時焊錫的熱傳能力會下降。 “熱膨脹係數”在表面黏著上一直深受重視，因為材料間彼此的熱膨脹係數（CTE）有著很大的差別。 一標準的組裝包含了－FR-4的板子，焊錫及有接腳或無接腳的元件，它們CTE分別是FR-4，16.0×10-6/℃；63錫/37鉛：焊錫23.0×10-6/℃；銅接腳16.5×10-6℃及三氧化二鋁(Al2O3)無接腳元件6.4×10-6/℃。在溫度溫動及通電、斷電時，CTE的差異會加速焊錫接點應力及應變累積，如此便會縮短元件及接腳壽命，進而造成永久的損壞。兩個主要的材料特性掌握CTE的大小；晶體結構及熔點。當材料有相似的格狀結構，它們的CTE變化剛好和溶點變化相反。 “表面張力”，熔煬焊錫的表面張力和沾錫能力（Wettability）也就是和焊錫能力（Solderability）息息相關。兩者相吸引的力量，也就是當分子間相吸的力量大於分子表面的結合力時就會造成接點表面脫落。也就是在物質表的能量高於物質內部。當熔融焊錫要去沾（Wet）焊墊時，焊墊表面的能量會高於熔融的焊錫。也就是說當熔融金屬表面能量愈低時愈容易沾（Wet）上焊墊，在此要注意的是助焊劑是幫助“增加”焊墊表面的能量而不是如一般文獻上所說的降低。 金屬特性 當焊錫被施以外力，如機械或熱應力時，它會經歷一段無法回復的“塑性形變”。塑性形變主要是焊錫結晶面相互間有剪力發生所造成的。這種形變可以只發生在一個接點內部或是蔓延到整個元件，這完全取決於應力的大小、應變率、溫度及材料特性。連續的或週期性的塑性形變終會導致腳上的焊錫接點破裂。 “應變硬化”（Strain-hardening）通常存在於應力及應變之間，且是由於塑性形變所造成的。它的相反作用就是“回復”（recovery）作用，也就是軟化，亦就是焊錫有釋放其內部積存能量的傾向。這一回復作用起因於熱動力（Thermodynamics）一種能量釋出作用，開始時速率很快，接下去則以較慢速率。基本上焊錫本身對接點缺陷相當敏感，且有回復原狀的特性。但是應變硬化本身並不會在焊錫微細結構上造成可以為外界查覺的缺陷。 重新結晶（Recrystalization）是另一常見於焊錫接點上的現象。它通常發生於高溫及有大量能量從應變材料中釋放出的時候（非回復作用）。而且在重新結晶過程中會產生一組新的、無應變的結晶結構，可以明顯的看到一形成晶粒及結晶成長的過程。至於重新結晶所需要的溫度通常介於材料熔融絕對溫度