锡膏成份与分析.ppt

1、锡膏成份与特性,一般锡膏,锡粉 成份：63Sn/37Pb （SE48-M954-2 成分是含Sn、Pb、Ag、Sb） 熔点：183 锡粉直径：2045um 粉末形状：球形 粘性：2300 10%Ps,Flux(助焊剂)成份,Solvent（4050%） 醇类（Alcohols）乙二醇（Glycols） 乙二醇醚类 Terpineols（C10H18O） rosin松香（4550%） 松香酸（Abietic Acid）34% 脱氢松香酸（Dehydroabietic Acid）24% Palusic Acid 9% Activators（310%） Amine Hydrochloride氢卤化氨

2、活性剂 Rheological Additives （13%） Ricinoleic Acid 蓖麻油酸,Solder Paste,Flux 质量百分比9.5% 体积百分比50%,Metal 质量百分比90.5% 体积百分比50%,锡膏特性,粘度：锡膏经由外来应力，就是刮刀的卷动而流动所产生的抵抗值之称。 CXO性：继续搅拌后的锡膏会软化，静置一定时间后黏度会有回复的现象，其软化到回复的的时间，在各种锡膏中会有些差异，这个特性又和其它要素交互作用，选用不当锡膏会产生崩溃等不良现象。 粘着性：可以说是锡膏的向内凝集力（Tack），在印刷时，虽然受黏性力和接着力的抵抗，但因其力量通常比其它的大，又

3、受强力的剪断力（卷动）才不会黏在后面，而锡膏会形成滚筒浸透版目。 接着性：会依接着对象而变化，但在印刷的锡膏通版目过程中，需要比黏着力还大，才能把锡膏转移到基版上面，后工程的零件搭载时会脱落，是接着力不足的关系。,回温8小时未搅拌和搅拌之锡膏,未搅拌X50,X25,搅拌5分钟X50,X25,Microscope X50 放置10天后之锡膏,锡膏反应行为,a.粘度变化 热扰动效应（thermal agitation effect）-在较高的温度下黏度的下降将产生较大的热融落（hot slumping） 溶剂减少效应（solvent loss effect）-温度的上升常常使助焊剂脱出较多的溶剂并

4、导致固态含量的增加而使黏度上升,锡膏反应行为,b、氧化防止作用 水、氧和温度是金属氧化作用的必备条件，因此在IR reflow，必需减少水和氧之存在，所以在此条件下有3项重点必须特别注意，第一个是松香的氧化反应(ps1)，其二是氮气的使用，第三是预热使水份蒸发减少金属和锡膏之氧化机会，由于松香中具有不饱和的双键，所以将有利于本身氧化反应的发生，在温度150或更高的时候，需用氮气(ps2)等惰性气体对其氧化加以控制。,Ps1：松香之氧化反应松香酸 Abietic acid（mp 173-175） temp 150 双氢松香酸Dihydroabietic （过氧化物）,ps2：当N2在加热区取代氧

5、气，则锡膏和金属曝露在氧气之环境也随之减少，则氧化之可能性也随之降低。评估Reflow Oven之需要（使用氮气时），通常以下列三种基本性能标准能够维持平衡，为最有效之标的。,气体纯度（PPM O2 大零件及小零见间温度之均匀性（T） 效率（电力及流量）,锡膏反应行为,c、金属表面清净化作用 氢卤化氨活化剂 Amine Hydrohalides 有机酸活化剂 Organic Acid,锡膏反应行为,d、回焊区之solder（183230） 在reflow的状态中，当松香和焊锡皆为液态时，焊锡性最佳，去氧化的效果最好，并产生接口合金层接合零件及焊点。Reflow的峰值温度通常是由焊锡熔点温度，组

6、装基板和组件的耐温度决定。基于异质特性，锡膏的聚合时间比润湿天平测试求得时间来的长。一般最小峰值温度大约在焊锡熔点以上30左右，若回焊温度低于上述时，将产生冷接点和润湿不够。而可望的最大峰值温度大约235，超过此温度，环氧树脂基板和塑料部份的胶化和脱层就成为一个顾虑。再者，超额的共界金属化合物将形成，并导致较脆的焊接点。,活化剂之反应机构,氢卤化氨活化剂，在前述之预热区中，产生卤化铜类（CuX2）以及铜之错合物，再于回焊区和熔融的铅锡发生反应，进而形成金属铜和锡以及卤化铅等生成物。且所形成的金属铜又很快地再熔入熔融焊锡液体中，于其表面上形成一种多铜式的表层，此表层可增进沾锡能力。 CuCl2

7、+ Sn SnCl2 + Cu 2CuCl2 + Sn SnCl4 + 2Cu CuCl2 + Pb PbCl2 + Cu,沾锡、焊接及沾锡平衡,沾锡之原理 所谓Wetting Balance “沾锡平衡”，是指举起的锡池与样品相遇的剎那间，所产生的两个不同的动作，每个动作都有力量表现出来，最后当作用力达到平衡而停止，即完成全部过程，称沾锡平衡（wetting balance）。当清洁的固体进入液面的剎那，在其接触面处，假想其截面上有壹接触角Q，于是在该处有两股力量汇集。其一是液体本身的内聚力（cohesive force）所形成的浮力；其二是液体为固体表面所产生的附着力（adhesive f

8、orce）再由如下图所示：,沾锡曲线图,锡膏反应行为,e、界面合金共化物（IMC） 能够被锡铅合金（solder），其焊锡与被焊底金属之间，在高温下快速形成一薄层类似锡合金的化合物。此物起源于锡金属原子及底金属原子之相互渗入、迁移、扩散，而在冷却固化之后立即出现一层薄薄的共化物，且会逐渐增厚。这种由焊锡与其底金属接口之间所形成的各种共合物，统称Intermetallic Compound 简称 IMC 。,焊锡性与表面能,新鲜的铜面在真空中其表面能可达1265达因/公分，63/37的焊锡加热到共融点（eutectic point 183）并在助焊剂的协助下，其表面能可至380达因/公分，若将二

9、者焊在一起，沾锡性将非常良好。然而若将新鲜铜面放在空气中2小时后，其表面能会遽降到25达因/公分。因此必须要靠强力的助焊剂除去铜面的氧化物，使之再活性及提高表面能，并提高焊锡的表面能时，才会有良好的沾锡表现。,锡铜合金共化物的生成,当熔融态焊锡落在清洁的铜面时，将会立即发生沾锡（wetting）的焊接动作。此时也立即会有锡原子扩散（diffuse）到铜层中去，而铜原子也在瞬间同时扩散进入焊锡中，二者在交界面处形成Cu6Sn5 的IMC，称为-phase（Eta 相），此种新生化合物中含锡之重量比约占60%。之后经长时间的老化过程中，在-phase IMC与铜底材间，又会因铜量的不断渗入Cu6S

10、n5中，而渐使其局部组成改变为Cu3Sn的-phase（Epsilon相）。其中铜量将由早先的-phase的40%增加到-phase的66%。此种老化劣化之现象，随着时间和温度而加剧，而温度的影响尤其更烈。,理想温度曲线特性,见word档文件,最佳温度曲线的设计,此图表示以慢的上升率（0.51/sec）加热直到大约175（助焊剂内的溶剂在50125之受热区内需有足够的时间蒸发）然后在2030秒内梯度上生到180（在175后的升温速率尽量放慢，以延长松香、活化剂的有效作用时间，使金属表面的氧化物或污垢得以清除完全），再以2.53.0/sec快速上生到220（适合锡熔的条件和环境为22010，10

11、20sec，稳定及分布均匀的温控及隔绝氧气，如此方可避免加热温度过高或时间过长而造成零件、松香及基板的伤害或加热时间不足或太低，造成冷焊的现象。），最后以不超过4/sec快速冷却下降。,最佳温度曲线的设计,以上二图为模拟预热区solder 之变化（烘箱 150 90 seconds）理论上此区将发生氧化防止作用和金属表面清净化作用，清除氧化物并使得金属和焊锡之表面能逐渐提升。,X25,X50,以上二图为模拟solder过回焊区后之变化 在PCB板上涂抹锡膏，过IR炉之情形，由图（3）可知当solder和flux于熔点（mp）以上时，强大的表面能，使得chip上的焊锡重融并移位，产生新的焊点。图

12、（4）白色部份为松香残渣，当温度到达200以上时，松香在酸性或高温的情况下，由于共轭双键（conjugated double bond）的移动，呈现不稳定的状态，会形成左旋性的海松酸（levopimaric）和新松香酸（neoabietic acid）两者的混合平衡物。,X25,X50,松香在焊锡熔融温度以上时，也会和铅锡反应形成铅锡的松香酸盐类混合物。,以下二图为模拟锡未熔之情形,利用IR Reflow 之回焊温度不超过焊锡熔融温度（183）所造成之效应。 锡未熔之原因：1、输送带速度过快2、reflow温度太低3、温度不均,以下二图为模拟冷焊之情形,利用不纯物（胶水）所造成之冷焊效应，So

13、lder paste含不纯物造成焊接点断裂。 冷焊之原因：1、Solder paste 氧化2、Solder paste含不纯物3、零件脚或pad，吃锡性不佳4、输送带速度过快5、reflow温度太低,以下二图为模拟锡球之情形,利用涂抹大量flux，使flux比例大增，从而使得Solder paste流动性过大，所造成之锡球效应,以下二图为良好之焊锡点,若其焊锡性良好时，则锡面会向上攀升，在交界处形成形成凹月形接触（meniscograph solderability），并成带状吃锡。,锡膏反应行为,g、冷却区之solder（22070） IMC 高过焊锡熔点温度以上的慢冷却速率将导致过量的IMC形成，快速的冷却可使IMC的产生减到最少。 晶粒结构 起因于回火效应，较慢的冷却常常导致在焊接点处有大的晶粒结构。使用快速冷却方可得到较好的晶粒结构。50的温度差已足够忽略回火