无铅回流焊.doc

无铅回流焊.doc 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，并凝聚愈合而成为焊点，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，及考虑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。 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、器件安置(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，必须改变观念重新面对。事实上根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。掌握良好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 (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足印膏的一半。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。 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CASTIN(Sn2.5Ag0.8Cu0.5Sb)之四元合金在亚太地区则很少见到。 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。 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。 对于锡粉的基本 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 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。 2.3助焊剂之成份及品质 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(Surfactant)、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轻微的氧化物。 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CL〕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而得以移除: 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: MO，2HCOOH?M(COOH)2，H2O M(COOH)2?M，COn，H2 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用，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;但在静置时却又会坚持抗剪力，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)。 2.4锡膏等级与配制 按照J-STD-005锡膏 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 (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，于特殊“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合成为良好的焊点。下列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35-38μm)，其次是用于密距窄垫的Type4(锡粉直径以30μm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)。 2.5锡膏现场作业性品质 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，可供使用者现场参考。 (1)愈合性(凝聚性或熔合性)试验 Solder Ball Test(IPC-TM-650之2.4.43)，是在阳极处理过的铝板上，加印一个 小圆饼形的锡膏(直径6.5mm厚度2mm)，然后小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秒钟后即小心水平取下并放平，直到冷却后才以10-20倍放大镜去做检查。此试验是在检查锡粉愈合的能力如何,其中若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。良好的锡膏熔合后其锡粉会集中成球，其中氧化较严重锡粉，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。