1.前言
目前各种形式的合金焊料,其最权威的国际规范为J-STD-006。此文献之最新版本为1996.6的Amendment 1,由于资料很新,故早已取代了先前甚为知名的美国联邦规范QQ-S-571。IPC还有一份重要的焊接手册IPC-HDBK-001其中之4.1,曾定义“熔点”在430℃以下为“软焊”(Soldering),也就是锡焊。另熔点在430℃以上称为 “硬焊”(Brazing),系含银之高温高强度焊接。早期欧美业界,亦称熔点600℉(315℃)以下者为软质焊锡,800℉(427℃)以上者为硬质焊锡。
原文Solder定义为锡铅含金之焊料,故中译从金旁为“焊锡”,而利用高热能进行熔焊之Soldering(注意此一特定之单字,并非只加ing而已),则另从火旁用字眼的“焊接”,两者涵义并不完全相同。
2.共熔(晶)焊锡
焊锡焊料(Solder)主要成分为锡与铅,其它少量成分尚有银、铋、铟等,各有不同的熔点(M.P.),但其主要二元合金中以Sn63/Pb37之183℃为最低,由于其液化熔点(Liquidus Point)与固化熔点(Solidus Point)的往返过程中,均无过渡期间的浆态(pasty)出现,也就是已将较高的“液化熔点”与较低的“固化熔点”两者合而为一,故称为“共熔合金”。且因其粗大结晶内同时出现锡铅两种元素,于是又称为“共晶合金”。此种无杂质合金外表很光亮之“共熔组成”(Eutectic Composition)或“共熔焊锡”(Eutectic Solder),其固化后之组织非常均匀,几无粒子出现。其合金比例之不同将影响到熔点变化,该变化之“平衡相图(Phase Diagram)”,图请参考第12期TPCA会刊。
另一种组成接近共熔点的Sn60/Pb40合金,则在电子业界中用途更广,主要原因是Sn较贵,在焊锡性(Solderability)与焊点强度(Joint Strength)几无差异下,减少了3﹪的支出,自然有利于成本的降低。与前者真正共熔合金比较时,此60/40者必须经历少许浆态,故其固化时间稍长,外观也较不亮,但其焊点强度并无不同。不过后者若于其固化过程中受到外力震动时,将出现外表颗粒粗麻之“扰焊”现象(Disturbed)之焊点,甚至还可能发生“缩锡”(Dewetting)之不良情形。
3.焊料之特性
除了“焊锡性”好坏会造成生产线的困扰外,“焊点强度” (Joint Strength)更是产品后续生命的重点。但若按材料力学的观点,只针对完工焊料的抗拉强度(Tensile Strength)与抗剪强度(Shear Strength)讨论时,则并不务实。反而是高低温不断变换的长期热循环(Thermal Cycling,又称为热震荡Thermal Shock)过程中,其等焊点由于与被焊物之热胀系数(TCE)不同,而出现塑性变形(Plastic Deformation),再进一步产生潜变(Creep)甚至累积成疲劳(Fatigue)才是重点所在。因此等隐忧迟早会造成焊点破裂(Crack)不可收拾的场面,对焊点之可靠度危害极大。
组件的金属引脚与组件本体,及与板面焊垫之间的热胀系数(TCE)并不相同,因而在热循环中一定会产生热应力(Stress)进而也如响应斯的出现应变(Strain),多次热应力之后将再因一再应变而“疲劳”(Fatique),终将使得焊点或封装体发生破裂,此种危机对无脚的SMD组件影响更大。现将常见共熔焊料之一般机械性质整理如下:
3.1共熔点63/37的焊料,其常温中的抗拉强度(Tensile Strength)为7250 PSI,而常见冷轧钢(Cold Rolled Steel)却高达64,000 PSI,但此抗拉强度对焊点强度的影响反不如抗剪强度(Shear Strength)来的大,若加入少量锑后成绩会较好。至于展性(Ductility)与弹性模数(Elastic Modulus)则63/37者均比其它高熔点者二元合金要更好,两合金之导电导热则比纯锡差,且随铅量增加时会呈少许下降。一般63/37者其强度较其它比例更好。多锡者也比多铅者为强。