SMT無(wú)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(dòng)元件之高速貼片，與異形零件大形元件之自動(dòng)安放）、熱風(fēng)回焊、清潔與品檢測試等。不同者是無(wú)鉛錫膏熔點(diǎn)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(guān)念重新面對。事實(shí)上根據多年量產(chǎn)經(jīng)驗可知，影響回焊品質(zhì)最大的原因只有：錫膏本身、印刷參數以及回焊爐品質(zhì)與回焊曲線(xiàn)選定等四大關(guān)鍵。掌握良好者八成問(wèn)題應可消弭之于無(wú)形。

圖1、左圖為位于觀(guān)音工業(yè)區的協(xié)益電子公司，其SMT現場(chǎng)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(jiàn)，全機臺均保持蓋牢密封的狀態(tài)。

右為開(kāi)蓋后所見(jiàn)鋼板、刮刀及無(wú)鉛錫膏刮印等外貌。

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

根據多年現場(chǎng)經(jīng)驗可知，以錫膏與印刷及回焊曲線(xiàn)（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(zhuān)注于此三大內容之介紹，至于機器操作部份將不再著(zhù)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(chēng)為錫粉Powder)，與10—12％有機輔料(即通稱(chēng)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(wú)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(diǎn)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，深藏在內的有機物勢必無(wú)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(diǎn)中，氣洞或空洞(Voiding)無(wú)所不在的主要成因，其數量與大小均遠超過(guò)波焊。

圖3、無(wú)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(dòng)。

由于硬度較軟容易被壓傷，故攪拌時(shí)要小心。左二圖即為無(wú)鉛錫粉之放大圖。

右圖為錫膏中大小錫粉搭配成型的印著(zhù)畫(huà)面。

現行無(wú)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A(yíng)IM公司的著(zhù)名錫膏CASTIN(Sn2.5Ag0.8Cu0.5Sb)之四元合金在亞太地區則很少見(jiàn)到。

圖4、錫粉是從熔融液錫所成形而調製，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(lái)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(huì )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(wú)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(lái)較為簡(jiǎn)單，其品質(zhì)重點(diǎn)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(dòng)的條件。其次是直徑尺寸應大小匹配互補，以減少印刷后貼件或踩腳時(shí)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(huì )被主體排擠出去而成為不良的錫球。不過(guò) 一旦外表完全無(wú)氧化物時(shí)’也較有機會(huì )發(fā)生“冷熔”(Cold welding)現象進(jìn)而容易堵死鋼板開(kāi)口。通常要求開(kāi)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(huì )堵死鋼板之開(kāi)口起見(jiàn)，其開(kāi)口的起碼寬度必須要大過(guò)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別所在。其主要成份有樹(shù)脂(Resin)、活化劑(Activator)、溶劑(Solvent)、增黏劑(Tackifier即黏著(zhù)劑)、流變添加劑(RheologiCa1 AdditiveS)亦稱(chēng)抗垂流劑(Thixotropic Agent，或稱(chēng)搖變劑或觸變劑或流變劑等)、表面潤濕劑(SurfaCtant)、腐蝕抑制劑等’現簡(jiǎn)要說(shuō)明于后：

樹(shù)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(chēng)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(gè)羧酸根COOH者），例如草酸、己二酸；其次是固態(tài)的鹵化鹽類(lèi)〔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(lèi)氧化物進(jìn)行反應，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(shuō)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(jìn)行多次化學(xué)反應，使之轉變?yōu)榭扇苄越饘冫u化鹽類(lèi)而得以移除：

MO_n+2nRCOOH→M(RCOO)_n+nH₂O

MO_n+2nHX→MX_n+nH₂O

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

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

在此等反應進(jìn)行的同時(shí)也將出現金屬鹽類(lèi)與多量的氣體，以致冷卻后的銲點(diǎn)中免不了會(huì )出現空洞。

其二為氧化還原反應’以甲酸(蟻酸)將金屬氧化物予以還原，并再經(jīng)后續之熱裂解反應，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(lèi)，或醚類(lèi)酮類(lèi)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(zhù)名的溶劑化學(xué)品?？勾沽鲃┮灰淮藙┛稍阱a膏運動(dòng)或搖動(dòng)(觸動(dòng))中，出現較易流動(dòng)之現象；但在靜置時(shí)卻又會(huì )堅持抗剪力，而具有不輕易移動(dòng)特性的化學(xué)品。如此將可使錫膏在刮刀推行印刷時(shí)容易滾動(dòng)，一旦印著(zhù)定位后的錫膏，則又可強力協(xié)助其保持固定不動(dòng)的狀態(tài)。此類(lèi)添加劑以篦麻油衍生物為主’可增加錫膏的黏度及黏著(zhù)力(Tack Force)。

四、錫膏等級與配製

按照J一STD—005錫膏規范(表2 A與2 B，見(jiàn)次頁(yè))，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(jìn)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的膏體進(jìn)行慢速旋轉攪拌。該四槳葉是以其厚度方向從膏體的外緣連續劃過(guò)，逐漸逼使內外膏料產(chǎn)生高效率的混合，只要劃過(guò)3圈后，大部膏料均已完成彼此混合；旋轉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(zhuān)門(mén)用于配制錫膏時(shí)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(dòng)，而且穿過(guò)鋼板開(kāi)口著(zhù)落在PCB銲墊上還要黏牢，要求印后十小時(shí)以?xún)?，或于零件定深跺腳時(shí)，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(jià)的物料(以SAC305錫膏而言，每公斤即在N．T．2000元以上)，一旦發(fā)現吸水則只有報廢一途以減少后患。國際規范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定，以減少在印刷與踩腳時(shí)的坍塌，并在熱風(fēng)回焊中容易癒合成為良好的銲點(diǎn)。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T(mén)ype3〈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、錫骨現場(chǎng)作業(yè)性品質(zhì)

事實(shí)上錫膏品質(zhì)之待檢項目甚多，不同規范亦有不同的要求，一般在作業(yè)品質(zhì)與后續可靠度方面，平均即有15-20項之多。供應商也并非在每次出貨時(shí)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(wú)需精密昂貴儀器的條件下，以簡(jiǎn)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(guān)點(diǎn)而選列，可供使用者現場(chǎng)參考。

（一）、癒合性（凝聚性或熔合性）試驗

Solder Ball Test，是在陽(yáng)極處理過(guò)的鋁板上，加印一個(gè)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(wú)鉛錫池之溫度設定為245-255℃。此時(shí)錫膏中的錫粉開(kāi)始受熱癒合成為一個(gè)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(wú)法癒合之下，將隨FluX向外擴散成為衛星狀的小碎球。

圖9、此為錫膏規范中測試癒合性(Coalescence)的允收與拒收畫(huà)面，其金屬載板為陽(yáng)極處理過(guò)的鋁板，

只做為傳熱的工具。良好的錫膏熔合后其錫粉會(huì )集中成球，其中氧化較嚴重的錫粉，

在無(wú)法熔合下，將被排擠出來(lái)隨著(zhù)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(huà)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(即出現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(shí)后，再進(jìn)行癒合試驗，以觀(guān)察其抗濕及抗氧化的能力如何O前頁(yè)之四圖即為J—STD—005在所列之有鉛錫膏允收規格之圖示畫(huà)面。

至于無(wú)鉛錫膏癒合能力的允收情形則目前尚無(wú)規格，預計J—STD一005A于2006下半年內發(fā)佈后即可有所依循。下列之五圖即為無(wú)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(huà)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(huì )出現焊接反應并生成Cu6Sn5的IMC。故其癒合后的外觀(guān)與鋁板上不同。

(二)、散錫性試驗Spreading Test

焊錫性(So1derability)是說(shuō)明金屬表面可否進(jìn)行焊接反應，并就其反應能力的好壞，以科學(xué)數據加以表達的品質(zhì)。從沾錫天平(Wetting Balance)而言，即可用以測出引腳的沾錫時(shí)間此種精密試驗，不但專(zhuān)業(yè)設備昂貴且相當耗時(shí)，而所得數據對生產(chǎn)現場(chǎng)的實(shí)用價(jià)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(zhuān)注于錫膏癒合后向外的散錫性，以下將介紹簡(jiǎn)易做法的散錫性試驗。

圖11、此為無(wú)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(wú)鉛錫膏的焊錫性就相形見(jiàn)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聚力(Cohesive Force)增加，而向外擴展的附著(zhù)力(Adhesive Force)卻減小。于是無(wú)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(shí)，也許無(wú)鉛膏還可展現較好的焊錫性。

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(xiàn)路，之后加全面印綠漆而留出線(xiàn)路中間2cm長(cháng)的裸銅區(或另加做不同的表面處理以方便評比)。于是在此可焊區的中央印刷上直徑950μm厚度150μm (6mil)的無(wú)鉛錫膏，然后利用生產(chǎn)線(xiàn)的回焊曲線(xiàn)進(jìn)行試焊，并觀(guān)其向兩側散錫的能力。只需簡(jiǎn)單的量測已散錫的長(cháng)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(jìn)行散錫性的評比，孰優(yōu)孰劣立見(jiàn)分曉。

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

每批進(jìn)料錫膏之保證書(shū)中，雖已明列其黏度數據，但為確保其出貨中的品質(zhì)起見(jiàn)，亦應在入庫前按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(shí))的錫膏，開(kāi)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(zhuān)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，續以10rpm的慢轉速度，在25℃下取20分鐘后的量測數據做為紀錄即可。

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(xiě)。

至于黏著(zhù)指數(或稱(chēng)抗垂流指數Thixotropy)之品質(zhì)項目，事實(shí)上美式錫膏規范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分鐘數據，及30rpm的3分鐘數據。然后將此兩種數據分別求取對數值(Log)，此等讀值應落在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(huì )其與抗坍塌性或抗垂流性之間的關(guān)系。也就是說(shuō)印刷后較長(cháng)時(shí)間的置放中(例如1 0小時(shí))，觀(guān)察是否出現坍塌現象的品質(zhì)。

圖14、此為瞭解黏著(zhù)指數所刻意印刷之錫膏，可做為現場(chǎng)對比之用。

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

(四)、黏著(zhù)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(zhù)四個(gè)均等圓盤(pán)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(jìn)錫膏中’并施以重力50 g進(jìn)行0.2秒的壓著(zhù)，然后另以10 mm／s的升起速度將探棒緩緩拉起。此時(shí)可按下圖紀錄其向上拉脫時(shí)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(zhù)強度或黏著(zhù)力之數據(KN／m2)。

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

及其所對應出力大小的座標曲線(xiàn)圖。

（五）、印刷能力(Printability)

是指對密距(Fine Pitch)多墊區(例如QFP之連墊)，或直徑很小的圓墊等連續印刷多次，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(shí)仍未發(fā)生坍塌的情形。此種特性對于連續施工頗為重要，對現場(chǎng)而言此檢驗方法也并不困難，美式規范中亦未列入此項，日系規范可參考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(kāi)封之錫膏先印一樣，然后到達鍚膏第30次印刷時(shí)，另印另一樣。

之后進(jìn)行比對并觀(guān)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