无 铅 焊 锡 制 程

1、無 鉛 銲 錫 製 程 簡 介導入無鉛製程之理由環境的危害人體健康的影響全球環境保護或工業團體之要求導入無鉛之需求法令規範酸雨森林、湖泊及土壤污染汽車廢氣(NO2)O2光化學氧化臭氧分解ClO揮發有機化合物 四氯化碳氯分解平流層對流層N2, O2紫外光臭氧層 O3鉛中毒 地下水污染環境的危害PCB戴奧辛污染溫室效應(CO2)溫室效應(CO2)鉛溶解法令規範歐洲無鉛法令現況目前歐洲僅由歐盟(European Union) 要求於2008年1月開始，所有輸入歐洲 之各項產品都需達到完全無鉛的要求。EuropeanPb業界之對應時間目前以日本電子業要求最快力信在“焊接組裝”上將逐漸 導入無鉛製程，以

2、達到 2005年完全無鉛化的目標無鉛合金資料收集及研究替代合金之選擇要項金屬特性-機械性可靠度越高越好熔 點-最好為共晶且越低越好潤 焊 性-擴錫性及焊接之爬錫性性 越佳越好毒 性-以無毒性且不易產生公害 為佳成 本-取得容易且越低越好可能之替代合金主要合金- 錫（Sn）次要合金-1.銀（Ag）：改善潤濕性、 焊點強度。 2.鉍（Bi）： 降低熔點溫度， 改潤濕性。 3.銅（Cu）：改善焊點強度。 4.鋅（Zn）：低熔點，低成 本。 替代合金之特性Sn熔點溫度 : 231Ag熔點溫度 : 961Cu熔點溫度 : 1083Bi熔點溫度 : 271Zn熔點溫度 : 420增加焊點強度降低熔點溫度防

3、止溶蝕效應改善銲錫性降低熔點溫度各研究組織之合金推薦日本電子工業振興協會之研究波焊建議使用合金： SnAgCu、SnCu研究結論： 容易產生“焊點剝離”之現 象發生，尤其在焊接時含 Bi的條件下極易發生。業界已使用之合金合金資料彙整 二.無鉛焊錫導入波焊製程的建議: 1.合金的選擇:要使無鉛合能夠實用化,就必須先確定其物質性能,檢 討的項目為:成本,熔解溫度,bulk拉力,延伸性,壽命,濕潤時間,應力, 擴散力,組識變化,接合剪斷,剝離強度,導線焊接的creep強度等,目前為止,業界(日本為主)所選用之合金為下列組合. Sn99.3/Cu0.7 Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5 Sn96/

4、Ag2.5/Bi1/Cu0.5 現製程用錫棒,明確標示錫鉛成份比表面光潔呈銀白色.無鉛錫棒(Sn/Ag3.0/Cu0.5)無成份比標識,表面粗糙,顏色較暗略帶黃色. 除錫銅合金為共融點金屬較無異議,其它之合金組合比例會稍有不同, 舉例而言,錫銀銅合金之共融點組合約為Sn93.6/Ag4.7/Cu1.7之217.但基於美國(IOWA university/AMES lab)及日本(Senju/Panasonic)之專利權限制,所有供應商均會少許變更合金比例,這些合金比例之些微.差異在焊點 特性上並不會造成影響,Alpha Metals則擁有錫銀銅鉍合金之全球使用權.下表格就不同合金特性略做比較:

5、Lead-free paste Surface, slightly grainy 無鉛材料:表面多粒狀.Conventional paste Surface, shiny & smooth 傳統材料:表明光滑閃亮. 由上表可看出,綜合成本及焊錫性之考量, 選擇 Sn/Ag3.0/Cu0.5合金較合適. 2.材料考量: 目前印刷線路板一般有OSP保護之裸銅板及化銀板和化鎳金 板(Immersion Ni-Au),OSP板成本低使用歷史久,焊接性較化銀和化鎳金板稍差;而化銀板焊接性好成本較高穩定性好;化鎳金板焊接性較好,穩定性較化銀板差,且價格高.所以化銀板應為未來無鉛焊錫重要候選,但現階段OSP

6、板為首選. 3.助焊劑考量: 無鉛焊接較原有製程,焊錫性及合金毛細效用(與合金比重成正比)都較弱 增加了焊接困難度,因此有必要提升助焊劑焊性,可借由三種方式: a.增加活化劑之使用量:此做法會影響殘留之潔淨度及頂針測試 之誤判率. b.改變活化劑種類:須考濾化學可靠度. c.改變活化反應機构:活化劑在水中的活性要比在有機溶 劑中好,同時用水可達到提高安全性與健康環保的目的,但缺點是揮發所需之較高預熱會造成活化劑因耐熱問題而損失部份活性,也存在因水份揮發不完全而造成錫噴濺. 4.設備考量: a.預熱系統:無鉛焊錫錫溫較高(260 270 ),為避免較高的熱沖擊,需要有均勻有較的預熱.最理想的預熱

7、是強製熱風循環. 其優點包括:減少PCB零件面與焊接面之溫差,除去了零件不均溫造成的吃錫不飽之缺點.針對水基之助焊劑,可加速水份之揮發而不需提高預熱溫度. 直接之熱量傳遞確保所有待焊元件在有限預熱時間內達到足夠熱 量卻不會過熱而損傷零件或效能. 此次實驗為節約成本, 我們利用原錫爐做些許修改:兩預熱段之間及預熱二段與錫槽之間空隙均用不銹鋼板蓋住,以避免PCB在經過此處時溫度發生陡降造成較大的熱沖擊.將反射板直接蓋在軌道上,減少溫量的散失,從而降低了PCB板正背面之溫差.b.錫爐結構 因無鉛合金上錫速度及角度較差,現有錫爐結構需做修改,較強的涌出式錫波能提供較大之上錫力量以補強無鉛焊錫潤濕力,但

8、這樣錫波不穩,容易造成溢錫.錫爐需求1.錫爐上方之排氣孔出風量,需調整為現行出風量之50%.2.產品出錫爐後冷卻用之風扇,其風向需背離錫爐出口30.利用錫箔紙將錫槽外圍包覆保溫。預熱段隧道保溫性調節式進出口減少熱散失調節式排氣孔錫槽溫度保溫性錫槽溫度250-265預熱段與擾流波間之距離須縮小接近穩流波與擾流波間之距離須縮小接近預熱溫度100-130快速冷卻裝置無鉛焊錫爐需求介紹 d.氮氣: 氮氣可減少錫渣的產生并協助達成最佳上錫角度,然而由于其成本高,加上錫爐改造的技術難度太大,目前還沒法導入. 5.可靠度評估: 試產之成品做可靠的評估是不可或缺的.我們的可靠度評估分兩部份: Solder ability Test及Reliability Test. 三.無鉛焊錫製程管制